碳化硅PiN二極管正向電壓及正反向電流特性

  與普通pn結(jié)二極管不同,PiN二極管在兩端的p型與n型高摻雜之間增加了一個(gè)低摻雜層,整個(gè)結(jié)構(gòu)分三部分,p+區(qū)、i區(qū)和n+區(qū)。i區(qū)既可以是n型摻雜也可以是p型摻雜。與pn結(jié)二極管一樣,PiN二極管內(nèi)部電子與空穴均參與輸運(yùn),屬于雙極器件。在PiN二極管中,i區(qū)中的少子特性很大程度上決定整個(gè)器件的直流特性。
 
  由于i區(qū)的存在,零偏壓時(shí),PiN二極管處于截止?fàn)顟B(tài),小正向電壓階段(小于開啟電壓),器件有極小的正向電流,當(dāng)正向電壓達(dá)到導(dǎo)通電壓后,正向電流劇增。一般的,PiN二極管的導(dǎo)通電壓比SBD二極管要高,主要是i區(qū)的存在,增加了開態(tài)電阻Ron。雖然i層會(huì)造成電阻增大,不過當(dāng)器件處于正向偏置大注入狀態(tài)時(shí),i區(qū)中存在大量由兩端高摻雜的p+區(qū)和n+區(qū)注入的電子和空穴,從而極大地提高了i區(qū)的載流子濃度,大大降低i區(qū)的電阻,這種電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)可以帶給器件正向特性的改善。碳化硅的高臨界擊穿電場使得PiN中間的i層可以做得很薄，加上碳化硅中較高的載流子飽和遷移速率,令碳化硅PiN二極管可以具有很好的開關(guān)特性。與SBD二極管相比,PiN二極管更容易獲得高擊穿電壓和低漏電流,這很大程度上得益于中間低摻雜的i區(qū)。
 
  1. 碳化硅PiN二極管的正向電流特性
  二極管正向偏置時(shí),大量的p+區(qū)空穴與n+區(qū)電子在電場作用下注入到i區(qū),在i區(qū)的兩端分別形成電子與空穴的積累,形成濃度梯度,向i區(qū)內(nèi)部擴(kuò)散。少子的大量注入,使i區(qū)電導(dǎo)增加,產(chǎn)生大電流。PiN二極管的正向電流組成為:

 
  其中jrp+n-為p+區(qū)與i區(qū)界面空間電荷區(qū)內(nèi)的復(fù)合電流,jrn-n+為i區(qū)與n+區(qū)界面空間電荷區(qū)內(nèi)的復(fù)合電流,jdp+為注入到p+區(qū)的電子的擴(kuò)教電流,jdp為注入到i區(qū)的空穴的擴(kuò)散電流,jdn為注入到i區(qū)的電子的擴(kuò)散電流。當(dāng)正向偏置處于小電壓階段時(shí),注入到i區(qū)的電子、空穴數(shù)量較少,此時(shí)電流主要為i區(qū)兩端p-n結(jié)中的復(fù)合電流。隨著電壓增大,注入到i區(qū)的載流子逐漸增加,在i區(qū)的兩p-n結(jié)中的復(fù)合電流。隨著電壓增大,注入到i區(qū)的載流子逐漸增加,在i區(qū)的兩端分別形成電子與空穴的積累,電子與空穴在i區(qū)的擴(kuò)散電流越來越明顯。當(dāng)電壓
大到形成大注入時(shí),注入到i區(qū)的少子濃度超過i區(qū)的多子濃度,空間電荷區(qū)中的復(fù)合電流以及從i區(qū)注入到p+區(qū)的電子電流都可以忽略,此時(shí)正向電流主要來自p+區(qū)與n+區(qū)注入到i區(qū)的空穴與電子在i區(qū)由于擴(kuò)散而形成的電流。
 
  根據(jù)Sah- Noyce-Shockley的電流傳導(dǎo)理論,正向電流應(yīng)包括擴(kuò)散電流和傳導(dǎo)電流兩個(gè)部分,如下:   jr為復(fù)合電流,jd為擴(kuò)散電流,jro和jdo分別為復(fù)合機(jī)制與擴(kuò)散機(jī)制的飽和電流密度,q為單位電荷,v為器件所加偏壓,ko為波爾茲曼常數(shù),T為絕對溫度。
 
  2. 碳化硅PiN二極管的正向電壓特性
  二極管正向偏置時(shí),由高摻雜的p+區(qū)和n+區(qū)注入到i區(qū)的電子空穴濃度遠(yuǎn)大于i區(qū)本身摻雜所提供的載流子濃度時(shí),本征層的電導(dǎo)會(huì)大大增強(qiáng),這一現(xiàn)象稱為電導(dǎo)調(diào)制。當(dāng)注入到i區(qū)的載流子擴(kuò)散長度為i區(qū)寬度的一半時(shí),電導(dǎo)調(diào)制效率最高,PiN二極管的伏安特性對少子壽命很敏感,因?yàn)樯贁?shù)載流子的壽命影響著電導(dǎo)調(diào)制的效果。電導(dǎo)調(diào)制效果的強(qiáng)弱影響到碳化硅PiN二極管的正向?qū)妷?。為了降低正向?qū)妷?應(yīng)該在碳化硅外延層中實(shí)現(xiàn)較長的載流子壽命以增強(qiáng)電導(dǎo)調(diào)制的效果。
 
  PN二極管的正向電壓降組成如下：  
  VF為PiN二極管的正向壓降,Vp+contact為p+區(qū)歐姆接觸壓降,VM為i區(qū)壓降,Vp+n-、Vn-n+分別為PiN二極管兩端p+/n-結(jié)和n-/n+結(jié)上的壓降,Vsub為襯底壓降。
 
  i區(qū)壓降與電導(dǎo)調(diào)制的效果有關(guān)。據(jù)一種寬泛的近似,i區(qū)壓降與載流子壽命的關(guān)系如下:  
  K、T、W分別為波爾茲曼常數(shù),絕對溫度和i區(qū)寬度。La為雙極擴(kuò)散長度,計(jì)算公式為  
  其中,Da與τHL分別為雙極擴(kuò)散系數(shù)與大注入時(shí)的載流子壽命,Da計(jì)算公式為  
雙極載流子遷移率為  
  其中,µn、µp分別為i區(qū)中電子、空穴的遷移率。
 
  3. 碳化硅PiN二極管的反向電流特性
  根據(jù)肖克菜方程,由擴(kuò)散產(chǎn)生的反向電流為:  負(fù)號表示電流方向與正向時(shí)相反,-js為反向飽和電流密度,Dn、Dp、Ln、Lp分別為電子和空穴的擴(kuò)散系數(shù)和擴(kuò)散長度,np0、Pno分別為n區(qū)與p區(qū)的平衡少子濃度。
 
  空間電荷區(qū)的產(chǎn)生電流,計(jì)算如下：   jG為空間電荷區(qū)的產(chǎn)生電流,XD為空間電荷區(qū)寬度,τg為空間電荷區(qū)內(nèi)產(chǎn)生壽命,
 
  理想情況下,反向電流應(yīng)為擴(kuò)散電流與產(chǎn)生電流之和：   τn、τp分別為p區(qū)與n區(qū)中電子與空穴的少子壽命。產(chǎn)生電流jr∝ni,擴(kuò)散電流jd∝ni2。在常溫條件下,計(jì)算得到的產(chǎn)生電流為量級,擴(kuò)散電流更小,低于,說明了擴(kuò)散電流對PiN二極管的反向電流貢獻(xiàn)不大,反向電流主要來自空間電荷區(qū)的產(chǎn)生電流。在實(shí)際器件中,影響反向電流大小的因素很多,表面特性、材料缺陷以及隧穿所導(dǎo)致的表面和體內(nèi)漏電流都會(huì)使器件的反向電流增大。



上一篇：二極管的局域壽命控制技術(shù)
下一篇：碳化硅肖特基二極管的電荷收集特性