畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）200A1200V軟恢復(fù)快速二極管設(shè)計(jì)

1、200a/1200v 軟恢復(fù)快速二極管設(shè)計(jì) 200a/1200v fast and soft recovery switching power diode design 畢業(yè)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)（ （論論文）指文）指導(dǎo)導(dǎo)教教師審閱師審閱意意見見 題目：200a/1200v 軟恢復(fù)快速二極管設(shè)計(jì) 評(píng)語： 指導(dǎo)教師： 畢業(yè)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)（ （論論文）文）評(píng)閱評(píng)閱教教師審閱師審閱意意見見 題目：200a/1200v 軟恢復(fù)快速二極管設(shè)計(jì) 評(píng)語： 評(píng)閱教師： 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯成績?cè)u(píng)定畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯成績?cè)u(píng)定 專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第 答辯委員會(huì)于 年 月 日審定了 班級(jí) 學(xué)生的畢 業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 。 設(shè)計(jì)

2、（論文）題目： 設(shè)計(jì)（論文）說明書共 頁，設(shè)計(jì)圖紙 張。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)意見： 成績： 專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì) 主任委員 ： 摘要 軟恢復(fù)快速功率二極管廣泛應(yīng)用于電力電子電路中，采用 mps 結(jié)構(gòu)的軟 恢復(fù)快速二極管即克服了傳統(tǒng) pin 二極管開關(guān)速度相應(yīng)較低的缺點(diǎn),又解決了肖 特基二極管較低擊穿電壓的缺陷，它具有速度快、擊穿電壓高的、漏電流小、 軟恢復(fù)特性好的優(yōu)點(diǎn)。目前，市場上運(yùn)用的軟恢復(fù)快速二極管大都為采用摻雜 重金屬或通過電子輻照的 pin 二極管，因此對(duì) mps 二極管的設(shè)計(jì)和研究具有 很重要的現(xiàn)實(shí)意義。 本課題對(duì) mps 二極管的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和研究，利用半導(dǎo)

3、體器件模 擬軟件（medici）對(duì)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，并優(yōu)化了器件的外延層摻雜濃度和 厚度、肖特基接觸和 pn 結(jié)網(wǎng)格寬度、pn 結(jié)濃度和摻雜濃度等主要的結(jié)構(gòu)參數(shù)。 本文首先介紹了大功率器件的應(yīng)用和發(fā)展情況，然后根據(jù)我國現(xiàn)狀，說明其在 國民經(jīng)濟(jì)中的實(shí)用價(jià)值，再引出 mps 二極管在應(yīng)用時(shí)的相對(duì)優(yōu)勢(shì)、進(jìn)而闡述 它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理和相關(guān)的特性。然后對(duì)各個(gè)參數(shù)并對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)，考 慮到投片實(shí)驗(yàn)的昂貴性和設(shè)備環(huán)境的限制，最后利用軟件 medici 對(duì)所設(shè)計(jì)的 mps 二極管結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行理論分析，對(duì)不能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)的 提出改進(jìn)措施，再重復(fù)設(shè)計(jì)、進(jìn)行參數(shù)的優(yōu)化。最后的仿真結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的

4、 結(jié)構(gòu)滿足了設(shè)計(jì)要求。 關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：mps；diode；medici 仿真；快速；軟恢復(fù)仿真；快速；軟恢復(fù) abstract fast and soft restoration of electrical power diode widely used in electronic circuits, using mps structure of the soft recovery diode that is not only quickly overcome the traditional pin diode switching speed corresponding lower shor

5、tcomings, but also solved the low breakdown voltage schottky diodes defects, it has such good advantage as fast, high breakdown voltage, low leakage current, soft recovery characteristics. at present, the market quickly resumed the use of soft diodes used mostly for heavy metal doping or through ele

6、ctronic irradiation of the pin diode, so the mps diode design and research have a very important practical significance. mps diode on the subject of various parameters of the design and research, using semiconductor device simulation software (medici) to design the structure of simulation, and optim

7、ization of the devices extension of the doping concentration and thickness, schottky contacts and networking pn grid width, pn junction doping concentration and concentration of major structural parameters. this paper introduced the first high-power devices use and development of the situation, then

8、 according to chinas status quo, in the national economy on its practical value, and then leads to mps diodes in the application of the comparative advantages, further elaborated its structural characteristics, principle and relevant features. then the various parameters and its design, taking into

9、account the experimental films for the expensive equipment and environmental constraints, the last of the medici use software designed by the mps diode structure of the simulation, and the results of theoretical analyses, can not achieve the desired objectives of the proposed improvement measures, t

10、o repeat the design and the optimization of parameters.finally the simulation results show that the design of the structure to meet the design requirements. key words: mps；diode；medici simulation；fast；soft-recovery 目目 錄錄 摘要 .i abstract .ii 第 1 章 引言 .1 第 2 章 軟恢復(fù)快速二極管的結(jié)構(gòu)和工作原理 .4 2.1 軟恢復(fù)快速二極管發(fā)展概況 .4 2.

11、2 軟恢復(fù)快速二極管的結(jié)構(gòu)和類型.6 2.2.1 pin 結(jié)構(gòu)軟恢復(fù)快速二極管.6 2.2.2 肖特基結(jié)構(gòu)軟恢復(fù)快速二極管.8 2.2.3 mps 結(jié)構(gòu)軟恢復(fù)快速二極管.10 2.3 mps 二極管的工作原理 .11 第 3 章 mps 二極管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).14 3.1 設(shè)計(jì)思想 .14 3.2 mps 二極管的性能參數(shù) .14 3.2.1 反向峰值電壓 .14 3.2.2 反向漏電流 .14 3.2.3 正向?qū)▔航?.15 3.2.4 反向恢復(fù)時(shí)間 .15 3.2.5 軟度因子 .16 3.3 mps 二極管結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì) .16 3.3.1 p 區(qū)的設(shè)計(jì) .17 3.3.2 n 基區(qū)的設(shè)計(jì)

12、 .17 3.3.3 其余縱向參數(shù)設(shè)計(jì).19 3.3.4 橫向設(shè)計(jì) .19 第 4 章 仿真軟件 medici 簡介 .21 4.1 基本功能和特點(diǎn) .21 4.2 medici 工作原理 .21 第 5 章 mps 二極管的仿真分析.23 5.1 反向阻斷特性 .23 5.1.1 反向擊穿電壓 .23 5.1.2 反向漏電流 .24 5.2 正向?qū)ㄌ匦?.26 5.2.1 正向開啟電壓 .26 5.2.1 正向?qū)▔航?.28 5.3 反向恢復(fù)特性 .29 5.3.1 反向恢復(fù)時(shí)間 .29 5.3.2 軟度因子的測算 .30 第 6 章 mps 二極管的表面造型與保護(hù).31 第 7 章 結(jié)

13、論 .33 參考文獻(xiàn) .34 附錄 a 反向阻斷特性仿真程序 .35 附錄 b 正向?qū)ㄌ匦苑抡娉绦?.37 附錄 c 反向恢復(fù)特性仿真程序 .39 致謝 .40 第 1 章 引言 1956 年可控硅整流器(英文縮寫 scr，泛稱晶閘管)的發(fā)明并于次年由 ge 公司推出商品，是半導(dǎo)體應(yīng)用由弱電跨入強(qiáng)電的里程碑。其后平面工藝和外延 技術(shù)的發(fā)明，又使半導(dǎo)體器件向兩大分支發(fā)展：一支以晶體管或其它半導(dǎo)體器 件組成愈來愈小的集成電路，為適應(yīng)微型化發(fā)展，形成了以半導(dǎo)體集成電路為 主體的新興學(xué)科一微電子學(xué)；另一分支則是以晶閘管為主體的功率(電力)半導(dǎo) 體分立器件，向愈來愈大的功率方向發(fā)展，為解決電力電子與控

14、制技術(shù)形成了 以靜態(tài)功率變換和電子控制為主要內(nèi)容的新興邊緣學(xué)科電力電子學(xué)。 1973 年，newell 在第四屆硅電力電子學(xué)專家會(huì)議（pesc）上提出，電力電 子學(xué)是介于電器工程三大領(lǐng)域：電力、電子與控制之間的邊緣學(xué)科，并用所謂 “倒三角”定義來說明。這一定義已被國際上所公認(rèn)。根據(jù)“倒三角”定義， 電力電子學(xué)就是已晶閘管為主體的功率（電力）半導(dǎo)體器件為核心部件，跨于 電力、電子和控制三大領(lǐng)域的一門邊緣學(xué)科。 作為邊緣學(xué)科的電力電子學(xué)，它所包含的內(nèi)容及其廣泛，既有半導(dǎo)體器件 問題，也有電路、控制、裝置即器件的應(yīng)用問題。盡管它們都有各自的理論裝 置、系統(tǒng)和發(fā)展方向，但它們之間又是相互關(guān)聯(lián)的。電力半

15、導(dǎo)體器件的發(fā)展， 特別是新型器件的出現(xiàn)和采用，都會(huì)以自己的特長占有不同的應(yīng)用領(lǐng)域，使應(yīng) 用面不斷拓寬和擴(kuò)大；反過來，電力電子技術(shù)的發(fā)展對(duì)器件提出更高的要求， 又會(huì)促進(jìn)器件的性能的提高和新器件的發(fā)展。因?yàn)橛檬裁雌骷拇⒉⒙?lián)技術(shù)， 用什么樣的電路來實(shí)現(xiàn)裝置設(shè)備，反映了器件與線路之間的關(guān)系。新的器件能 促進(jìn)電路達(dá)到新的水平，而新的電路則可禰補(bǔ)器件性能之不足。為了使電路達(dá) 到更完善的水平，還必須提高控制水平；這就要求采用新的控制方式和使用新 的工具。但是，器件、電路及系統(tǒng)控制的最終目的是要完成一個(gè)實(shí)用的電力電 子裝置。由此可見，電力電子學(xué)把器件、裝置、控制系統(tǒng)緊密地聯(lián)系在一起， 它們相輔相戍，形成一

16、個(gè)具有內(nèi)在系統(tǒng)性的有機(jī)體。 作為一門應(yīng)用科學(xué)，它廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究，國民經(jīng)濟(jì)中的電力、交通、 通訊、冶金、機(jī)械、化工、儀器儀表及國防工業(yè)等部門，并逐步推廣到家用電 器等應(yīng)用領(lǐng)域。特別是電力電子技術(shù)作為節(jié)能最富有成效的技術(shù)之一，已成為 發(fā)展快、生命力強(qiáng)的技術(shù)之一。 電力電子技術(shù)作為國民經(jīng)濟(jì)各項(xiàng)高技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)技術(shù)，為大幅度節(jié)能， 機(jī)電一體化，提高生產(chǎn)效能提供主要支撐技術(shù)，而電力電子技術(shù)的核心和基礎(chǔ) 則是電力半導(dǎo)體器件。 電力電子技術(shù)發(fā)展的快慢，在很大程度上取決于電力電子器件的發(fā)展水平。 器件容量的擴(kuò)大和結(jié)構(gòu)原理的更新，特別是新型器件的出現(xiàn)都是各種應(yīng)用技術(shù) 發(fā)展的要求和半導(dǎo)體器件理論、半導(dǎo)體材抖、

17、半導(dǎo)體工藝發(fā)展的結(jié)果。近幾十 年來，新技術(shù)、新工藝方面就出現(xiàn)了中子姬變摻雜，電子輻照、 輻照的壽命 控制技術(shù)；器件的 cad 技術(shù)；pn 結(jié)表面造型及終端技術(shù)；器件的高可靠技術(shù) 等；以及由微電子技術(shù)引入的精細(xì)加工技術(shù)，等等。電力半導(dǎo)體器件的基本理 論，從電流模式發(fā)展到電荷控制模式；出現(xiàn)了短路陰極理論；表面理論；gto 晶閘管從一維關(guān)斷理論發(fā)展為二維關(guān)斷模式，引入了陽極短路，隱埋門極等新 結(jié)構(gòu)；gtr 的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)形式引伸到各種復(fù)合器件，并成為 mos 一雙極型復(fù) 合器件的基本結(jié)構(gòu)形式；特別是微電子技求與電力器件制造技術(shù)相結(jié)合所產(chǎn)生 的集成功率器件，使得以往不被人們重視的電力半導(dǎo)體一躍而成為高科

18、技發(fā)展 之列。此外，器件的封裝已由壓焊發(fā)展到壓接式和全壓接結(jié)構(gòu)?？傊?，電力半 導(dǎo)體已在材料、器件基本理論、設(shè)計(jì)原理、制造技術(shù)等諸方面形成了自己的體 系和發(fā)展方向，成為半導(dǎo)體的一大獨(dú)立分支。 50 年代第一個(gè)晶閘管和雙極晶體管成為商品，標(biāo)志著固態(tài)電力電子技術(shù)的 開始。此后，雙極型半控器件(如:晶閘管、光控晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管等)和全控 型器件(門極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管、靜電感應(yīng)晶閘管等)相繼出現(xiàn)，品類 繁多，且其電壓、電流等額定值得到穩(wěn)定提高。特別是 70 年代 ntd 硅單晶的 試制成功，雙擴(kuò)散工藝的成熟以及雙正角造型技術(shù)的使用，使器件的電壓、電 流、頻率等額定值達(dá)到很高水平。雖然這些器件已

19、在電力電子技術(shù)領(lǐng)域得到廣 泛的應(yīng)用，但由于 scr , ltt 等半控器件存在著不能用門極控制其關(guān)斷，因而 需要繁鎖、復(fù)雜的輔助關(guān)斷電路；又由于 gto，gtr 等全控器件存在著需要較 大的控制電流，因而需要由分立器件組成的龐大門極控制電路等原因，使這些 器件的發(fā)展和使用受到很大的影響。隨著高性能、高頻開關(guān)器件和 igbt、mct 的發(fā)展，開發(fā)高性能、高頻電力整流管已成為一個(gè)非常重要和迫 切的任務(wù)。 眾所周知，電力整流管是電力半導(dǎo)體器件中結(jié)構(gòu)最簡單、用途最廣泛的一 種器件。通常應(yīng)用的有普通整流二極管、肖特基二極管、pin 二極管、mps 二 極管。它們相互比較各有其特點(diǎn)：普通整流管具有較小的漏

20、電流，較高的通態(tài) 電壓降（1.0-1.8）和幾十微秒的反向恢復(fù)時(shí)間；肖特基整流管具有較低的通態(tài) 壓降（0.30.6） ，較大的的漏電流，反向恢復(fù)時(shí)間幾乎為零；而 pin 快恢復(fù)整 流管具有較快的反向恢復(fù)時(shí)間（幾百 ns2s） ，但其通態(tài)壓降很高（1.64.0） 。 為了滿足快速開關(guān)器件應(yīng)用配套需要，人們利用大規(guī)模集成電路工藝和精細(xì)的 鑲嵌結(jié)構(gòu)，將肖特基整流管和 pin 整流管的優(yōu)點(diǎn)于一體，已研制出 mps(merged pin/schottky diode)結(jié)構(gòu)的電力整流管，它不僅具有較高的反向阻 斷電壓，而且其通態(tài)壓降很低，反向恢復(fù)時(shí)間很短，反向恢復(fù)峰值電流很小， 而且具有軟的反向恢復(fù)特性。

21、mps 結(jié)構(gòu)的電力整流管的通態(tài)壓降約為 1v，反 向恢復(fù)時(shí)間是 pin 整流管的 1/2，反向恢復(fù)峰值電流是 pin 整流管的 1/3。若以 mps 整流管代替 pin 整流管與 igbt 配合使用，可使系統(tǒng)的總功耗降低 1/2， 大大改善了系統(tǒng)的性能。 鑒于上述原因，決定采用 mps 結(jié)構(gòu)來完成本課題所要求的軟恢復(fù)快速二極 管設(shè)計(jì)，所以本設(shè)計(jì)具有重要的意義。本文主要針對(duì) mps 快速軟恢復(fù)二極管的 結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)它的特性進(jìn)行仿真研究，完成的工作包括以下內(nèi)容： （1） 對(duì) mps 二極管的工作原理和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。 （2） 對(duì)它的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，以滿足預(yù)期目標(biāo)。 （3） 運(yùn)用軟件 med

22、ici 進(jìn)行了器件的模擬仿真，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析，改進(jìn) 了預(yù)先設(shè)計(jì)的參數(shù)。 （4） 初步探討了影響軟度因子的因素。 第 2 章 mps 二極管結(jié)構(gòu)和性能 2.1 軟恢復(fù)快速二極管的發(fā)展概況 隨著電力電子的發(fā)展,各種變頻電路、斬波電路的應(yīng)用不斷擴(kuò)大，這些電力 電子電路中的主回路不論是采用換流關(guān)斷的晶閘管，還是采用有自關(guān)斷能力的 新型電力電子器件，如 gto、mct、igbt 等，都需要一個(gè)與之并聯(lián)的快速二 極管，以通過負(fù)載中的無功電流，減小電容的充電時(shí)間，同時(shí)會(huì)因負(fù)載電流瞬 時(shí)反向而感應(yīng)產(chǎn)生高電壓。由于這些電力電子器件的頻率和性能不斷提高，為 了與其關(guān)斷相匹配，該二極管必需有具有快速開通和高速判

23、斷的能力，即具有 短的反向恢復(fù)時(shí)間 t，較小的反向恢復(fù)電流和軟恢復(fù)特性。 在高壓、大電流的電路中，傳統(tǒng)的 pin 二極管具有較好 的反射耐壓性能， 且正向時(shí)它可以在很低的電壓下就會(huì)導(dǎo)通較大的電流，呈現(xiàn)低阻狀態(tài)。然而， 下身大注入的少數(shù)載流子的存在使得少子壽命較長，二極管的開關(guān)速度相應(yīng)較 低，為提高其開關(guān)速度，可以采用摻雜重金屬雜質(zhì)和通過電子輻照的辦法減小 少子壽命，但這又會(huì)不同程度的造成二極管的硬功夫恢復(fù)特性，在電路中引起 較高的感應(yīng)電壓，對(duì)整個(gè)電路的正常工作產(chǎn)生重要影響。因而，開發(fā)高頻高壓 快速軟恢復(fù)大功率二極管已經(jīng)成為一個(gè)非常重要和迫切的任務(wù)，具有重要的現(xiàn) 實(shí)意義。 目前，國內(nèi)快速二極管的

24、水平已經(jīng)達(dá)到 3000a/4500v，5us,但是各整流器 生產(chǎn)單位在減小二極管的反向恢復(fù)時(shí)間的同時(shí)，一般并不注意提高其軟恢復(fù)性 能。現(xiàn)在這些二極管一般采用電子輻照控制少子壽命，其軟度因子在 0.35 左右， 特性很硬。國內(nèi)快速軟恢復(fù)二極管的研制現(xiàn)狀如下表所示： 表 2-1 國內(nèi)快速軟恢復(fù)二極管的研制現(xiàn)狀 生 產(chǎn) 廠 家型 號(hào) 正向平 均電流 反向重復(fù) 峰值電壓 反向恢 復(fù)時(shí)間 正向峰 值電壓 反向重復(fù) 峰值電流 zk500500300300032.050 zk10001000300300052.080 zk15001500300300052.050 阜新晶體 管有限責(zé) 任公司 zk20002

25、000300300052.080 zk600600100045002102.6 zk800800100045002102.6 鐵道部永 濟(jì)電機(jī)半 導(dǎo)體分廠zk10001000100045002102.6 zk20060060020002101.8530 zk30090060020004101.7530 zk400100060020004101.740 北京整流 器廠 zk500120080020004152.150 zk6 40080040014001.02.050 zk6 40080040014002.01.550 zk6 400150040025002.02.2550 zk6 400150

26、040014001.02.0550 鐵道部株 洲電力機(jī) 車研究所 半導(dǎo)體廠 zk6 400150040025003.01.6550 國際上快速二極管的水平已經(jīng)達(dá)到 2500a/3000v，300ns,軟度因子較小。采用 外延工藝制作的快速恢復(fù)二極管的軟度因子較大（0.7） ，但它必須采用小方片 串并聯(lián)的方式使用，以達(dá)到大電流、高電壓的目的。這樣做不僅增加了工藝的 復(fù)雜性，而且使產(chǎn)品的可靠性變差。我國的外延工藝水平較低，沿柿餅在研究 階段，成品率較低，相對(duì)成本較高；而采用電力半導(dǎo)體常規(guī)工藝制作的快速恢 復(fù)二極管的軟度因子較小。國外快速軟恢復(fù)二極管的研制現(xiàn)狀如下表所示： 表 2-2 國外快速軟恢復(fù)

27、二極管的研制現(xiàn)狀 國別型 號(hào) 正向平 均電流 反向重復(fù) 峰值電壓 正向峰 值電壓 反向恢復(fù) 時(shí)間 r722-0550025002.252 r7s2-0990014002.051美國 rt22r08ej120012001.62.0 dsf2013sd26160026001.85.8 dsf1114sm3681036002.36.5英國 sm21cxc224110021001.56.0 401pd03.0 53pja12060012002.03.5 fdf10828-25d90025001.55.5德國 skn4m1600/24100024003.04 arf322

28、80025001.754 意大利arf91280016001.154 2.2 軟恢復(fù)快速二極管的結(jié)構(gòu)和類型 一般將通過電流大于 1a 二極管稱為功率二極管。軟恢復(fù)快速二極管是一 種反向恢復(fù)時(shí)間短、恢復(fù)電荷量較小、可以工作在 400hz 以上頻率的整流管， 其類型有 pin 結(jié)構(gòu)、肖特基結(jié)構(gòu)和 mps 結(jié)構(gòu)的，它們具有各自特點(diǎn)。 2.2.1pin 結(jié)構(gòu)軟恢復(fù)快速二極管 pin 二極管是由 p 型和 n 型材料之間夾一本征層而構(gòu)成的結(jié)型二極管。在 低頻時(shí)，它具有與 pn 結(jié)相似的伏安特性，不僅能承受很高的反向電壓，而 且具有小的正向電壓降。理想的 pin 二極管 i 層材料應(yīng)是本征型的，但是很難

29、做到。實(shí)際的 i 層可近似認(rèn)為低摻雜的高阻層。因此，功率二極管都做成重?fù)?雜的 p+、n+層之間夾一層較厚的低摻雜的 p 型或 n 型層而構(gòu)成：p+-n-n+或 p+- p-n+結(jié)構(gòu)。 pin 二極管是由重?fù)诫s的 p 型區(qū)和 n 型區(qū)之間夾一接近本征型的高電阻率 i 層構(gòu)成，其一般結(jié)構(gòu)，其一般結(jié)構(gòu)如圖 22 所示。i 層厚度由反向耐壓和正 向電流決定。在熱平衡時(shí)的能帶圖、載流子分布、空間電荷及電場分布 22 所 示。 + + + + + + + - - - - - - - - - p i n x2 x3 x4 x5 ec ev pn np p n x x x 電荷 e 圖 21 pin 二極管

30、 的結(jié)構(gòu)、能帶、載流子分布空間電荷機(jī)電場分布 與 p-n 結(jié)類似，在 pi 結(jié)和 ni 結(jié)也會(huì)形成空間電荷區(qū)。因此 i 層可分為三 個(gè)區(qū)域：（1）x2到 x3之間的正電荷區(qū)；（2）x3到 x4的中性區(qū)；（3）x4到 x5 之間的負(fù)電荷區(qū)。中性 i 區(qū)相當(dāng)一個(gè)長為（x4-x3）的電阻。因而 pin 二極管好 似一個(gè) pi 二極管和一個(gè)電阻及一個(gè) ni 二極管三者的串聯(lián)組合。pin 二極管的 正向壓降可視為三步分組成：pi 結(jié)和 ni 結(jié)的結(jié)壓降以及 i 區(qū)的體壓降。設(shè)外加 正向壓降為 vf則 (2-1) mnipif vvvv 為降低 pin 二極管的正向壓降而降低它的功耗，主要有以下措施： p

31、in 二極管常以 dla或 dla劃分為“長”或“短”結(jié)構(gòu)。dla為兩 者的過渡標(biāo)志。由于 la隨注入載流子濃度增加而下降，因而在低電流密度下的 短二極管在高電流密度時(shí)會(huì)變成等效的“長”結(jié)構(gòu)二極管，這樣，器件在浪涌 電流（可高達(dá) 103a/cm2）下會(huì)遭受嚴(yán)重?fù)p害。因此，在器件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡可能 地使 d/la在高電流密度時(shí)保持較小的值。這樣，即使電流密度超過 103a/cm2時(shí)， 器件仍有如一個(gè)短結(jié)構(gòu)二極管一樣。同時(shí)，器件又能保持具有高壓結(jié)構(gòu)的所謂 “長”結(jié)構(gòu)二極管的特點(diǎn)。顯然，提高元件的過載能力，必須有高的基區(qū)少子 壽命，這和為減小大電流密度下的正向壓降的要求是一致的。因此。提高少子 壽命是

32、提高功率整流管（及其他電力器件）過載能力的關(guān)鍵措施之一。 提高少子壽命，有利于增強(qiáng)基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制作用，降低正向壓降和提高過載 能力，但是，正如前面所分析的那樣，不能無限制地增加少子壽命，否則會(huì)引 起結(jié)壓降上升，甚至造成正向壓降增加，這在器件設(shè)計(jì)時(shí)需要加以注意。 從正向電流經(jīng)過二極管的途徑可知，管子的正向壓降除了基區(qū)體壓降 vm， 結(jié)壓降 vf=(vpi+vni)外，還應(yīng)包括兩端的接觸壓降 vb，金屬與半導(dǎo)體的接觸， 因?yàn)楣瘮?shù)的不同，也會(huì)形成空間電荷區(qū)、自建電場和勢(shì)壘?？梢娺@兩者之間 的接觸并不一定形成純電阻型接觸。接觸電阻大，會(huì)造成壓降和增加功率損耗； 同時(shí)在接觸處產(chǎn)生的整流效應(yīng)和非平衡少子注

33、入，會(huì)破壞元件本身的性能，所 以要求金屬與半導(dǎo)體之間的接觸應(yīng)是低電阻的歐姆接觸。 二極管反向恢復(fù)過程中，載流子的變化如圖 27 所示?？梢姡M管 pin 二極管的兩個(gè)結(jié)都已承受反向電壓，但反向電流并未衰減到最小值。i 區(qū)中的非 平衡載流子并未完全消失。剩余的非平衡載流子在反向電壓增長過程中，一方 面從兩端流出，一方面不斷通過復(fù)合而消失。直到 t=t3，二極管反向電流減小 到反向飽和電流，近似承受反向電壓為止。 p+ i n+ -d 0 +d n.p t=0 -d +d (a) t=tol a b ql qr n(-d) nt n(+d) d （b） +d 圖 22 pin 二極管反向恢復(fù)過程載

34、流子的分布 要減小反向恢復(fù)時(shí)間，就要減小正向時(shí)的儲(chǔ)存電荷和提高反向時(shí)對(duì)儲(chǔ)存電 荷的掃出速度、減小正向時(shí)的儲(chǔ)存電荷勢(shì)必增加正向電阻，所以主要是提高儲(chǔ) 存電荷消失的速度來縮短關(guān)斷時(shí)間。其途徑主要有兩個(gè)方面：一是降低少子壽 命，加速載流子的復(fù)合；一是加大反向電流的抽取作用。 2.2.2 肖特基結(jié)構(gòu)軟恢復(fù)快速二極管 典型的肖特基整流管的結(jié)構(gòu)，如圖 222 所示。n 層基片外延 n層， n層上淀積 sio2/sin 鈍化 陽極阻擋 層金屬 n-外延層 n 基片 n+陰極層 陰極（接觸）金屬 硅片 圖 23 肖特基整流管的結(jié)構(gòu)示意圖 一層金屬。 通常的肖特是整流管，其 n外延層的摻雜劑是砷，阻擋層金屬是相

35、。 通過調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)，能夠獲得臺(tái)適的肖特基勢(shì)壘高度。n 層的作用是減小 通態(tài)的體電阻，其摻雜濃度比 n層的高。n層是為形成良好的歐姆接觸 而設(shè)置的。圖 222 中，在阻擋層的邊緣，sio2絕緣層和金屬層重疊著， 以消除邊部電場集中，提高反向耐壓。它具有以下電參數(shù)的特色： (1) 反問快復(fù)時(shí)間短 有人曾做過對(duì)比，在相同的電路情況下，結(jié)型整 流管的反向恢復(fù)時(shí)間大約是肖特基整流管的 150 倍。例如，肖特基整流管 的反向恢復(fù)時(shí)間大約是 75ns，而快速整流管的反向恢復(fù)時(shí)間卻有 125s 之 多。由此可見，在必須提高開關(guān)速度的整流電路中，肖特基整流管是最理 想的。 結(jié)型整流管反向恢復(fù)時(shí)間長的原因，主要

36、是消除正偏時(shí)注入的儲(chǔ)存電 荷花費(fèi)時(shí)間。而肖特基整流管則不存在儲(chǔ)存電荷。 (2) 功率損耗小 150 100 50 5 15 25 0 20 40 60 80 100 (ma) 電流 （a） 0.5 1 1.5 電壓（v） 圖 2-4 肖特基 i-v 特性曲線 從上圖可以看出：它的正向特性與快速整流管的相比，有開啟電壓低， 正向壓降小的特點(diǎn)圖中顯示出相應(yīng)于 100a 左右的正向壓降只有 0.65v。 比同等級(jí)別的快速硅整流管的低 0.3v 左右。因此，它的正向損耗小。開關(guān) 損耗小，開關(guān)損耗是整流管從一個(gè)靜態(tài)轉(zhuǎn)變到另一個(gè)靜態(tài)時(shí)所產(chǎn)生的損耗。 顯然，反向恢復(fù)時(shí)間越短，開關(guān)損耗越小。 反向恢復(fù)時(shí)間受

37、di/dt 及 dv/dt 影響小，因?yàn)樵诟咚僬髌髦姓鞴鼙仨?很快地導(dǎo)通和阻斷，所以整流管必須具有一 定的承受 di/dt 及 dv/dt 的能力。 對(duì)于快速整流管，儲(chǔ)存電荷隨 di/dt 增大而增大，反向恢復(fù)期出現(xiàn)的電荷量 受 di/dt 影響可增大 10 倍左右。在相同的電路情況下，肖特基整流管因不存 在儲(chǔ)存電荷問題，反向恢復(fù)時(shí)間受 di/dt 及 dv/dt 的影響是很小的。 綜上所述，如果應(yīng)用領(lǐng)域不要求有較寬的工作電壓范圍，而要求快速、 高效率，則肖特基整流管是理想的整流器件。 2.2.3 mps 結(jié)構(gòu)軟恢復(fù)快速二極管 對(duì)功率二極管而言,pin 具有很好的反向特性,而 sbd 具有

38、較好的正向特性。 如果有一種器件能夠同時(shí)具備 pin 和 sbd 的優(yōu)點(diǎn),即既有 sbd 的小開啟電壓、 大導(dǎo)通電流、快開關(guān)速度,又具有 pin 的低漏電流、高阻斷電壓,這將是最好的 選擇。為了改善高壓硅開關(guān)管的正向和反向特性,baliga 提出了 mps 結(jié)構(gòu),其基 本結(jié)構(gòu)示意圖如圖 2-5 所示。 p+ p+ p+ p+ p+ p+ p+ n n+ ohmic contact schottky contact 圖 25 mps 二極管結(jié)構(gòu)示意圖 mps 器件是深注入的交叉指狀 p+柵格與肖特基結(jié)相間隔的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。mps 開關(guān)管的主要結(jié)是 pin 二極管區(qū),pn 結(jié)通過其耗盡層的寬度和兩 p

39、n 結(jié)之間的 間隙來影響肖特基的導(dǎo)電溝道。當(dāng) mps 反偏時(shí),pn 結(jié)形成的耗盡區(qū)將會(huì)向溝道 區(qū)擴(kuò)散,在一定反偏電壓下,耗盡區(qū)就會(huì)連通,從而在溝道區(qū)形成一個(gè)勢(shì)壘,使耗 盡層隨著反向偏壓的增加向 n+襯底方向擴(kuò)展。這個(gè)耗盡區(qū)將肖特基界面屏蔽于 高場之外,避免了肖特基勢(shì)壘降低效應(yīng),使反向漏電流大大減小,此時(shí),mps 反向 特性接近 pn 結(jié)。當(dāng) mps 正偏時(shí),pn 結(jié)的耗盡層寬度比兩 pn 結(jié)之間的距離小 得多,在肖特基區(qū)保留了一個(gè) n 型導(dǎo)電溝道,肖特基處于正向?qū)顟B(tài),特性與 sbd 的正向電學(xué)特性相似,只是電流密度由于 p 型區(qū)的原因而略小。p+陽極區(qū) 注入空穴到漂移區(qū),通過導(dǎo)電調(diào)制也會(huì)引

40、起體電阻的大大減少。另外,采用 mps 結(jié)構(gòu),可以靈活地選擇勢(shì)壘低的金屬作為肖特基接觸,而不用擔(dān)心反向漏電流會(huì) 增加。所以,mps 結(jié)構(gòu)綜合了 pn 結(jié)結(jié)構(gòu)和肖特基結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn),具有很好的正向 和反向特性。還可以通過調(diào)整肖特基和 pn 結(jié)的面積比來調(diào)整其性能,例如,當(dāng) 重點(diǎn)要求好的正向特性時(shí),可以通過增加肖特基的面積比來實(shí)現(xiàn);而當(dāng)更注重反 向特性時(shí),則可以通過增加 pn 結(jié)的面積比來實(shí)現(xiàn)。 2.3 mps 快速二極管的工作原理快速二極管的工作原理 圖 2-6mps 二極管橫截面示意圖 上圖相當(dāng)于具有低電阻觸點(diǎn)的嵌入式 p 型摻雜島的肖特基二極管。而它的 基本設(shè)計(jì)單元為以下簡化的幾何模型： 圖 2

41、-7mps 二極管元胞示意圖 1938年肖特基提出了半導(dǎo)體的接觸整流理論：（1）勢(shì)壘高度遠(yuǎn)大于熱電 勢(shì)；(2)計(jì)入耗盡區(qū)內(nèi)電子碰撞的效應(yīng)；（3）在x=0（金屬半導(dǎo)體接觸面） 和x=w（耗盡區(qū)內(nèi)邊界面）處的載流子濃度不受電流流動(dòng)的影響（即這些載流子 濃度為平衡值）；（4）半導(dǎo)體的雜質(zhì)濃度是非簡并的。 同時(shí)給出載流子濃度 為 (2-1) (2-2) (2-3) baliga在1987年對(duì)mps進(jìn)行了分析, 他認(rèn)為在正偏的時(shí)候, 首先是肖特基 勢(shì)壘開通, 因而有較低的開通電壓, 隨著電壓升高, 結(jié)開通, 向襯底注人遠(yuǎn)超過 襯底濃度的空穴, 引起襯底的電阻降低, 導(dǎo)致正偏電流的增大, 這無疑有著很大

42、的指導(dǎo)意義 器件中的載流子濃度對(duì)器件的工作有很大的影響，mps 中，在 p+區(qū)向溝 道區(qū)注入的大量少數(shù)載流子的影響下，溝道區(qū)和肖特基壘區(qū)載流子濃度的變化 導(dǎo)致了器件工作方式的變化。在正偏偏置電壓作用下, 對(duì)于 mps, 其主要特點(diǎn) 是由區(qū)向溝道區(qū)注人大量空穴在不同的正偏條件下, 其載流子的濃度分布變化 為從加上正偏電壓開始, 空穴就從區(qū)開始注入，在肖特基未開通時(shí), 在漂移區(qū)內(nèi) 電子的濃度梯度近似為零，在肖特基開通以后, 漂移區(qū)和溝道區(qū)的少數(shù)載流子 濃度梯度不再為零, 這是肖特基開始起作用的結(jié)果。隨著電壓的升高, 當(dāng) pn 結(jié) 開通以后, 由 p+區(qū)向溝道區(qū)注入的空穴在數(shù)值上超過襯底雜質(zhì)濃度,

43、此時(shí)出現(xiàn) 混合整流的特性同時(shí)多數(shù)載流子在電場和陰極高低結(jié)的作用下產(chǎn)生積累, 在數(shù) 量上與空穴幾乎相等, 此時(shí)電導(dǎo)調(diào)制區(qū)形成隨著電壓的進(jìn)一步升高, 注人的空穴 數(shù)量不斷增大, 積累的電子濃度也不斷增大,電導(dǎo)調(diào)制區(qū)開始向肖特基勢(shì)壘區(qū)擴(kuò) 展, 一直擴(kuò)展到肖特基勢(shì)壘區(qū)在以后, 漂移區(qū)的載流子濃度變化緩慢, 而在溝道 區(qū)和肖特基勢(shì)壘區(qū)的載流子濃度變化很快, 這就是 mps 與其他器件的最大不同。 所有的 pn 結(jié)二極管,在傳導(dǎo)正向電流時(shí),都將以少子的形式儲(chǔ)存電荷。少子 注入是電導(dǎo)調(diào)制的機(jī)理,它導(dǎo)致正向壓降()的降低,從這個(gè)意義上講,它是有利的。 但是當(dāng)正在導(dǎo)通的二極管突然加一個(gè)反向電壓時(shí),由于導(dǎo)通時(shí)在

44、pn 結(jié)區(qū)有大量 少數(shù)載流子存貯起來,故到截止時(shí)要把這些少數(shù)載流子完全抽出或是中和掉是需 要一定時(shí)間的,即反向阻斷能力的恢復(fù)需要經(jīng)過一段時(shí)間,這個(gè)過程就是反向恢復(fù) 過程,發(fā)生這一過程所用的時(shí)間定義為反向恢復(fù)時(shí)間。值得注意的是在未恢復(fù) 阻斷能力之前,二極管相當(dāng)于處于短路狀態(tài)。全部恢復(fù)過程如下圖所示。 圖 2-8 二極管反向恢復(fù)特性 對(duì)于 mps，反向恢復(fù)時(shí),pn 結(jié)形成的耗盡區(qū)將會(huì)向溝道區(qū)擴(kuò)散,在一定反 偏電壓下,耗盡區(qū)就會(huì)連通,從而在溝道區(qū)形成一個(gè)勢(shì)壘,使耗盡層隨著反向偏壓 的增加向 n+襯底方向擴(kuò)展。這個(gè)耗盡區(qū)將肖特基界面屏蔽于高場之外,避免了 肖特基勢(shì)壘降低效應(yīng),使反向漏電流大大減小,此時(shí)

45、,mps 反向特性接近 pn 結(jié)。 因此，mps 具有較小的反向恢復(fù)電流和時(shí)間。 第三章 mps 二極管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1 設(shè)計(jì)思想 由第二章的介紹可知，混合 pin/schottky 二極管（mps） ，它速度快、擊 穿電壓高、漏電流小、正向壓降低，適合功率系統(tǒng)使用。因此 mps 的設(shè)計(jì)關(guān)鍵 之一就是調(diào)整 p+區(qū)的濃度以增加其注入效率，可以增大電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，從而可 以降低 n 區(qū)的串聯(lián)電阻，因此它的正向壓降也會(huì)降低，功耗也將減少；關(guān)鍵之 二是調(diào)整 pn 結(jié) 區(qū)和肖特基區(qū)的長度比，折衷其反向擊穿電壓和反向電流以滿 足設(shè)計(jì)要求；關(guān)鍵之三是設(shè)計(jì) n 區(qū)的厚度和摻雜濃度，在滿足達(dá)到反向擊穿電 壓的條

46、件下優(yōu)化 n 區(qū)的厚度和摻雜濃度，使其串聯(lián)電阻達(dá)到最小。當(dāng)設(shè)計(jì)好上 述參數(shù)和結(jié)構(gòu)后，再進(jìn)行表面造型和保護(hù)的設(shè)計(jì)，以降低表面電荷、覆蓋材料、 結(jié)附近雜質(zhì)濃度及分布等的影響。 3.2 mps 二極管的性能參數(shù) 以下的各個(gè)參數(shù)如第 2 章圖 2-7 所示. 3.2.1 反向重復(fù)電壓 當(dāng)正在導(dǎo)通的二極管突然加上一個(gè)反向電壓時(shí)，由于導(dǎo)通時(shí)在 pn 結(jié)區(qū)有大 量少數(shù)載流子存貯起來，因此通過二極管上的電流要變?yōu)榱銜r(shí)需要一段時(shí)間， 而由于電路中的電感的存在，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)感生電壓，因此可以預(yù)測反向峰值電 壓的幅值就為： (3-1) 考慮到設(shè)計(jì)時(shí)需要有一定的余量，所以需要設(shè)計(jì)的反向重復(fù)電壓要高一些。 3.2.2 反

47、向漏電流 對(duì)于 mps 二極管，它的反向電流主要由兩部分組成，一個(gè)是來自肖特基勢(shì) 壘的注入，它與肖特基接觸的面積和反向電壓有很大的關(guān)系，另一個(gè)是耗盡層 產(chǎn)生的電流和擴(kuò)散電流，載流子的壽命和溫度對(duì)它的影響比較大。 其中肖特基注入電流由下列的表達(dá)式描述： (3-2) 第二部分電流為 (3-3) 所以總的反向漏電流為兩者和，即： (3-4) 3.2.3 正向?qū)▔航?由于 mps 的漂移區(qū)（n 區(qū)）的摻雜濃度較低、溝道調(diào)制效應(yīng)不太明顯時(shí)， 會(huì)引起的較大串聯(lián)電阻，對(duì)電流的有限制作用以，除此以外，mps 的正向電流 特性和 sbd 一樣，具有勢(shì)壘和,它的正向壓降為: （3-5） 式中： 理查得常數(shù) 絕對(duì)

48、溫度 肖特基勢(shì)壘高度 單元電流密度 而對(duì)于漂移區(qū)壓降，電流從寬度為 2d 頂部流向?qū)挾葹?m+s)的底部,所以漂 移區(qū)的串聯(lián)電阻為: （3-6） 式中電子遷移率 為獲得希望的擊穿電壓所需要的耗盡層寬度 綜合通過肖特基勢(shì)壘和漂移區(qū)的壓降,正向壓降為: （3-7） 3.2.4 反向恢復(fù)時(shí)間 因?yàn)闉樗械?pn 結(jié)二極管，在傳導(dǎo)正向電流時(shí)，都將以少子形式儲(chǔ)存電荷。 這些電荷在加反向電壓時(shí)并不能立即被抽取或復(fù)合，即到截止時(shí)要把這些載流 子完全中和掉或是抽取出是要一段時(shí)間的，這段過程就是反向恢復(fù)過程，發(fā)生 這一過程所用的時(shí)間定義為反向恢復(fù)時(shí)間（） 。 當(dāng) p+n 型二極管處于正向時(shí)，電荷的運(yùn)動(dòng)規(guī)律由非平

49、衡空穴決定。當(dāng)二極 管加上反向電壓 e 后的時(shí)間內(nèi)，反向電流： （3-8） 其中：v 為 pn 結(jié)電壓；為負(fù)載電阻。 由結(jié)電壓 v 極小，因而： （3-9） 在基區(qū)有： （3-10） 解上式可得： （3-11） 二極管整個(gè)反向恢復(fù)時(shí)間為所需用的時(shí)間，可以得到： （3-12） 可見，的大小取決于二極管本身的基區(qū)的少子壽命及二極管的正、反 向電流。 3.2.5 軟度恢復(fù)因子 軟度因子的定義為: （3-13） 由它的定義可知,它其實(shí)反應(yīng)二極管在反向恢復(fù)的過程中基區(qū)少子復(fù)合而 消失的時(shí)間長短。所以，軟度因子與少子壽命控制方法、基區(qū)時(shí)間長短和擴(kuò)散 濃度分布、元件結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)參數(shù)等有密切關(guān)系。在空間電荷區(qū)擴(kuò)

50、展后的剩余基 區(qū)內(nèi)駐留更多的殘存電荷，并駐留更長的時(shí)間將提高軟度因子。 3.2 mps 二極管參數(shù)的設(shè)計(jì)二極管參數(shù)的設(shè)計(jì) 3.3.1 p 區(qū)的設(shè)計(jì) 當(dāng) pn 結(jié)反偏時(shí)，由于是突變結(jié)，向 p 區(qū)擴(kuò)展的長度遠(yuǎn)小于。表面電 場和 pn 結(jié)深有關(guān)，最大電場出現(xiàn)在冶金結(jié)處，所以為了使屏蔽效應(yīng)充分發(fā)揮 作用，應(yīng)使 pn 結(jié)盡可能的深。然而，由于結(jié)是一般是由離子注入形成的，要 制作較深的結(jié)就必有用較高的注入能量，這會(huì)損壞襯底且使 pn 結(jié)性能變壞， 導(dǎo)致漏電流增大。減少注入劑量可以最大限度地減少襯底晶格損傷，pn 結(jié)區(qū)在 器件正向傳導(dǎo)下不需要注入載流子，p 區(qū)也不需要好的歐姆接觸，所以，相對(duì) 于 pin 二

51、極管，mps 的 p+區(qū)的載流子濃度可以降低。另一方面，為了使 pn 結(jié) 的耗盡層主要在 n-區(qū)，p+區(qū)應(yīng)有盡可能高的摻雜濃度。而對(duì)于注入效率，它隨 著摻雜嘗試的增加而提高。通過上述考慮，p 區(qū)的濃度設(shè)計(jì)為 。 3.3.2 n 基區(qū)的設(shè)計(jì) n 區(qū)的設(shè)計(jì)主是要考慮到穿通電壓和正向壓降，滿足擊穿電壓后應(yīng)盡量減 少電阻以降低正向壓降。當(dāng)基區(qū)厚度一定時(shí)，穿通結(jié)構(gòu)的擊穿電壓在電阻率 不太高的情況下，隨電阻率的增加而增加，但并不是單調(diào)遞增的關(guān)系， 當(dāng)電阻率達(dá)到一定程度時(shí)，電阻率的增加反而會(huì)使擊穿電壓下降，因此此過程 中存在一個(gè)峰值，如下圖所示： 圖 3-1 穿通結(jié)構(gòu)的擊穿電壓隨電阻率的變化關(guān)系 產(chǎn)生上述情

52、況的原因是隨著電阻率的增加，電場強(qiáng)度變化更緩慢，n 區(qū)高 低結(jié)處的場強(qiáng)有所增加，會(huì)使擊穿電壓增加，同時(shí)由于整個(gè) i 區(qū)的高場強(qiáng)區(qū)增 寬，雪崩電離容易發(fā)生，又會(huì)使發(fā)生擊穿時(shí)的最大場強(qiáng)有所降低，當(dāng)后一種情 況占主導(dǎo)地位時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致穿通結(jié)構(gòu)的擊穿電壓下降， 由上面的圖我們可以看出，在電阻率附近時(shí)，它的特性比 較優(yōu)異。由： （3-14） 在 n 區(qū)內(nèi)忽略空穴的影響，其中電子遷移率取 1200cm/s(摻雜嘗試等的影 響)可得 n 區(qū)內(nèi)的摻雜濃度： 考慮摻雜的精度，取摻雜濃度為. 在室溫下,單邊突變結(jié)的臨界電場有如下表達(dá)式: （3-15） 可得 = 而對(duì)于穿通型的二極管,它的擊穿電壓可表示為 （3-16

53、） 通過解上述方程其中，可以得到 n 區(qū)的長度: 3.3.3 其余縱向參數(shù)設(shè)計(jì) 其余縱向參數(shù)主要為 n+區(qū)的濃度和長度，以及表面造型以滿足達(dá)到或接 近理論擊穿電壓。對(duì)于 n+區(qū)的濃度，由于它要與金屬發(fā)生歐姆接觸，需要的 是較大的雜質(zhì)濃度，考慮的主要是雜質(zhì)擴(kuò)散的速度與時(shí)間，以利于降低成本。 因此本器件設(shè)計(jì)采用的濃度，22的厚度的 n+區(qū)。這個(gè)濃度有 利于實(shí)現(xiàn)良好的歐姆接觸，較短的厚度使擴(kuò)散的時(shí)間短，能降低成本。由于 p- n 結(jié)要延伸到表面，實(shí)踐證明，高壓器件的 p-n 結(jié)擊穿往往不是發(fā)生在體內(nèi)， 而是發(fā)生在表面。為了獲得穩(wěn)定的體內(nèi)雪崩擊穿特性，必須降低表面最大電場 強(qiáng)度，使表面擊穿電壓高于體內(nèi)

54、雪崩擊穿電壓。對(duì)于大面積的電力器件，通常 采用表面斜角造型的技術(shù)以降低表面電場。對(duì)于大面積、深結(jié)的電力半導(dǎo)體器 件，結(jié)的末段常常延伸至表面，通常采用斜角結(jié)構(gòu)以降低表面電場。用平面工 藝制造的 p-n 結(jié)，雜質(zhì)是通過掩模窗口擴(kuò)散進(jìn)去的，在邊、角之處結(jié)的邊緣呈 圓柱及球面，因而存在曲率，導(dǎo)致表面電場比體內(nèi)高。一般可采用保護(hù)環(huán)、場 板、耗盡層腐蝕及結(jié)延伸給予改善。 選擇實(shí)現(xiàn)肖特基接觸的金屬中，為了降低其正向壓降，應(yīng)盡量選擇勢(shì)壘低 的金屬，并且這種材料的是比較容易獲得的，通過各種金屬參數(shù)的比較，本器 件設(shè)計(jì)所使用肖特基接觸金屬為鎳（） 。 3.3.4 橫向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) mps 橫向設(shè)計(jì)的主要工作是調(diào)整 p

55、n 區(qū)與肖特基區(qū)的面積比（圖形的幾何 尺寸） ，來折衷器件的反向和正向特性。再通過幾何圖形的布局來改善器件的開 關(guān)特性，以改進(jìn)恢復(fù)特性。 考慮到器件工作時(shí)的功耗，本設(shè)計(jì)采用電流密度為，因此器件的 面積為 2，對(duì)于正方形的幾何形狀，器件的尺寸為。 對(duì)于一個(gè)原胞（圖見 2-7） ， 先取然后通過仿真再調(diào)整它們之間的參數(shù)。因此， 器件總共含有的元胞數(shù)為 幾何圖形采用品字型。示意圖如下： 圖 3-2mps 俯視結(jié)構(gòu)示意圖 中間的綠格部分為肖特基接觸區(qū)，其余部分為 pn 節(jié)區(qū)，它有利于避免肖 特基區(qū)被勢(shì)壘區(qū)隔離時(shí)不會(huì)發(fā)生電流集中現(xiàn)象，防止了由于電流過于集中而發(fā) 生的擊穿。 第 4 章 仿真軟件 medi

56、ci 簡介 4. 1 medici 的基本功能及特點(diǎn) medici 是先驅(qū)（avant！）公司的一個(gè)用來進(jìn)行器件模擬的軟件，它在 器件當(dāng)中建立了一個(gè)電勢(shì)與載流子分布的二維模型，可以算出任意偏壓下的電 學(xué)特性。有資料表明，在抗輻照加固、激光、高功率微波等效應(yīng)研究中該軟件 提供了很好的理論模擬手段。medici 通過求解相應(yīng)的器件方程來分析雙極器件 (二極管、三極管) ，也可以用來分析單極器件(mos ，jfet ，mes) ，另外， 還可以用來模擬器件的瞬態(tài)特性。它包括以下物理模型：復(fù)合、光產(chǎn)生、注入 離化、禁帶寬度變化、帶間隧道效應(yīng)、遷移率、壽命等模型。在計(jì)算部分電離 時(shí)，既包括波爾茲曼分布，

57、又包括費(fèi)米分布，還考慮到了雜質(zhì)的不完全電離等 因素。medici 使用非均勻的三角形模擬網(wǎng)格，能夠?qū)ζ矫娴?、非平面的任意?撲形狀結(jié)構(gòu)的器件進(jìn)行模擬仿真。既可以由用戶制定方法去劃分，又可以由 medici進(jìn)行自動(dòng)劃分。當(dāng)用戶指定某一物理量時(shí)(如電勢(shì)或雜質(zhì)濃度) ，medici 可以根據(jù)該物理量的分布對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)分。這使medici 能夠更精確、更靈活地 對(duì)復(fù)雜器件進(jìn)行模擬。在對(duì)器件進(jìn)行模擬過程中，首先完成器件結(jié)構(gòu)和雜質(zhì)分 布設(shè)計(jì)(利用medici 提供的profile 語句) ，然后通過數(shù)值模擬對(duì)器件的性能做 出定量的估計(jì)。這包括器 件的端特性和器件內(nèi)部的物理量分布。 4. medici 的工

58、作原理的工作原理 medici 的模擬過程如下圖: 圖 4-1medici 模擬過程 其中最核心的部分是器件模擬時(shí)計(jì)算方法的選擇，medici 使用了6個(gè)偏微 分方程來描述半導(dǎo)體器件的體特性： 泊松方程：描述靜電勢(shì)； 電子和空穴的連續(xù)性方程：描述載流子的濃度； 電子和空穴的載流子能量平衡方程：描述載流子的溫度； 晶格熱方程：描述晶格溫度。 由它們所得到的代數(shù)方程組是相互耦合、非線性的。 對(duì)于給定的器件和工作范圍，沒有一種求解方法對(duì)于所有情況都是最優(yōu)的 有幾種可能性： 1) 在零偏壓情況下，僅僅求解泊松方程便足夠了； 2) 對(duì)于mosfet i2v 特性，僅需求解一種載流子； 3) 在雙極器件和

59、mosfet 的擊穿仿真中，兩種載流子都是需要的； 4) 對(duì)于小尺寸器件的熱載流子效應(yīng)仿真(此處電場變化很快) ，應(yīng)當(dāng)加入載 流子能量平衡方程； 5) 當(dāng)器件加熱效應(yīng)很重要時(shí)，必須求解晶格熱方程。 第五章 mps 二極管的仿真分析 5. 1 反向阻斷特性反向阻斷特性 5.1.1 反向擊穿電壓 考慮到器件必須達(dá)到 1400v 或以上的反向擊穿電壓，所以首先進(jìn)行反向擊 穿電壓的仿真，仿真程序見附錄 1 為使器件結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格看起來更美觀，故采用 10 個(gè)元胞： 圖 5-1mps 二極管網(wǎng)格結(jié)構(gòu) 程序 1 的仿真結(jié)果如下： 可以看出，當(dāng)負(fù)極電壓達(dá)到 1350 伏的時(shí)候，仿真數(shù)據(jù)開始發(fā)散，即它的擊 穿電壓

60、不能達(dá)到所需的 1400v。原因是肖特基區(qū)的影響，不能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的 pin 二極管理論擊穿電壓。經(jīng)理論分析可知，n 區(qū)的長度太短，因此增加 n 區(qū)的長 度。通過不斷的調(diào)試將程序中的語句 y.junc=82 改為 y.junc=92 后，可得到預(yù)期 的擊穿電壓。其仿真圖如下： 圖 5-2 mps 反向擊穿特性圖 依上圖可知，當(dāng)反向電壓達(dá)到 1400v 時(shí)，電流開始急劇上升，因此，上述 n 區(qū)的尺寸較好地滿足了擊穿電壓的要求。 5.1.2 反向漏電流 反向漏電流的大小能夠很大限度地改變器件的功耗，本設(shè)計(jì)要求反向漏電 流小于。通過調(diào)整 m 與 s 的值可以有效控制它的反向漏電流。仿真如下： (m=2