功率半導體器件

1、功率半導體器件第一章 緒論1.1 理想的和典型的開關波形理想的和典型的開關波形理想的功率器件需要具有無損耗地控制功率流向負載的能力 總耗散功率： 低頻工作區(qū)：開態(tài)損耗占主導，低開態(tài)壓降的功率開關器件是追求目標 高頻工作區(qū)：開關損耗占主導，高開關速度和低的轉換時間是追求目標 實際需要對低開態(tài)壓降和低開關損耗進行折衷 1.2 理想的和典型的功率器件特性理想的和典型的功率器件特性正向: 具有傳導任意大電流而開態(tài)壓降為0的能力；反向阻斷模式:具有承受任意大電壓而漏電流為0的能力；具有為0的開態(tài)-關態(tài)轉換時間. 1.3 單極性功率器件單極性功率器件正向電壓低，開關速度快；反向阻斷電壓低電壓型控制型器件，

2、驅(qū)動電路簡單；窄導電溝道，通態(tài)電阻隨漂移區(qū)長度急劇增大，限制了阻斷電壓(200V)1.4 雙極性功率器件雙極性功率器件高濃度的載流子注入降低了器件的通態(tài)電阻(電導率調(diào)制)；關斷時需要移除這些高濃度的載流子，導致大的關斷損耗1.5 MOS-雙極功率器件雙極功率器件 較易的電壓控制、很強的電流處理能力和良好的高頻性能1.6 雙極性器件的理想漂移區(qū)雙極性器件的理想漂移區(qū)比電阻：最大耗盡層寬度：最大耗盡層寬度：BFOM (Baligas figure of merit, Baliga優(yōu)值)1.7 用于制備功率器件的半導體材料優(yōu)值用于制備功率器件的半導體材料優(yōu)值1.8 課程內(nèi)容及考核課程內(nèi)容及考核 P-

3、i-n整流器件，雙極功率器件，功率MOSFET，晶閘管類器件，雙極-MOS功率器件 學時32：周二（116周） 考核方式：平時60%+隨堂測試40%第二章第二章 p-i-n二極管二極管 應用:整流器 額定電流: 1A 到幾百安培 反向阻斷電壓: 幾十伏特到幾千伏特 設計目標: 高反向阻斷電壓、低正向壓降、開關態(tài)間快的轉換速度2.1 器件性能一維分析器件性能一維分析開態(tài)電流傳輸機制開態(tài)電流傳輸機制1. 電流非常低時, PN 結的空間電荷區(qū)的復合過程是電流主要傳輸機制2.電流比較低時, 少子通過擴散注入漂移區(qū)是電流主要傳輸機制3. 高注入條件下, 漂移區(qū)充滿大量過剩電子和空穴，電導率調(diào)制成為主要機

4、制高注入電流高注入電流高注入條件下，電中性條件要求漂移區(qū)電子和空穴濃度相等:在N-漂移區(qū)中運用連續(xù)性方程:Dn, Dp: 電子和空穴的擴散系數(shù) : 高注入條件下漂移區(qū)載流子壽命(2.2)(2.2)(2.1)方程 (2.2)X ( ) ，(2.3)X ( ) 得到ppnn穩(wěn)態(tài)條件下 (2.4) 應該為(2.4)(2.5)上式中利用了雙極擴散系數(shù)：(2.6)在 N/N+ 陰極處 (x = +d), 電流主要由電子承載，采用100%電子效率假設，可得到:同樣道理，在 N/P+ 陽極處(x = d),電流主要由空穴承載:(2.7)(2.8)(2.9)(2.10)利用 (2.8), 空穴電流為方程(2.

5、7)中總電子電流在該處的值為同樣可得到空穴電流(2.11)(2.12)(2.13)(2.14)(2.15)最后，可以得到漂移區(qū)載流子濃度與注入電流的關系(2.16)下面來計算漂移區(qū)電場，漂移區(qū)任意處電子電流和空穴電流分別為：穩(wěn)態(tài)條件下，總電流是電子和空穴電流之和且為常數(shù)：(2.17)(2.18)(2.19)(2.20)對 (2.20)式電廠分布求積分，可以獲得漂移區(qū)電壓降/2ad L /2ad L (2.22)(2.23)(2.21)電導率調(diào)制效應： 與J無關1/RnJnMV開態(tài)壓降開態(tài)壓降開態(tài)壓降(正向壓降)是三項之和:FPNMVVVV0lnPNkTVVKJq減小正向壓降，需要控制d/La的

6、大小，即減小漂移區(qū)長度d或增大擴散長度La； La與載流子壽命的平方根成正比，所以需要漂移區(qū)保持盡可能低的摻雜濃度(2.24)(2.25)反向阻斷電壓反向阻斷電壓反向阻斷電壓要小于擊穿電壓，而擊穿電壓主要有低摻雜去所決定。半導體材料決定了最大擊穿電場EC，對于單邊突變結:22scBDDEVqN提高要擊穿電壓(反向阻斷電壓)的措施：1.漂移區(qū)足夠厚(d),以使在反偏時能夠建立起足夠?qū)挼暮谋M層，這與降低正向壓降有沖突，需要折衷考慮2.使用低摻雜濃度和高電阻率晶圓，在生產(chǎn)中嚴格控制化學試劑的質(zhì)量3.使用具有高擊穿電場的材料，如SiC，GaN2.2 動態(tài)特性動態(tài)特性 正向?qū)ㄟ^程 開通過程中存在電壓過

7、沖現(xiàn)象：載流子注入p+-i和n+-i結區(qū)，然后擴散進入低摻雜i區(qū)，當電流變化很快時，載流子來不及通過擴散在中間區(qū)域建立起電導調(diào)制，從而遞增的電流引起遞增的電壓降落在中間區(qū)域反向過程反向過程在第1階段結束時，二極管中任然充滿了過剩載流子；在第2階段，反向增大的電流不斷抽走結區(qū)的過剩載流子，直至過剩載流子濃度下降到與熱平衡時的值，空間電荷區(qū)開始建立；其它區(qū)域的過剩載流子導致反向電流繼續(xù)增大到最大值，然后隨著殘余載流子的擴散和復合而衰減，隨后反向電壓升至其穩(wěn)定值第三章 雙極結型功率晶體管 基本特性 關態(tài)阻斷電壓 高電壓和大電流特性 動態(tài)特性3.1 雙極晶體管的結構及基本特性除了N+發(fā)射極和P基區(qū)外，

8、功率BJT具有一個寬的摻雜濃度極低的集電極漂移區(qū)用于承受高的阻斷電壓電流增益共射極電流增益：共基極電流增益：共射與共基極電流增益：基區(qū)輸運系數(shù)：共射電流增益：阻斷電壓發(fā)射極開路時的擊穿電壓：BVCBO基射極開路時的擊穿電壓：BVCEO集電極電流：擊穿條件：由于所以3.2 開通狀態(tài)大電流狀態(tài)，除了BJT的三個工作區(qū)域外，還出現(xiàn)了一個準飽和區(qū)。它的出現(xiàn)源于較厚的摻雜濃度極低的集電極區(qū)所引起的電導調(diào)至效應飽和區(qū)由電中性條件得到：流過集電結的空穴和電子電流為：電子電流可以被忽略，所以集電極電場流過集電結的電子電流為：利用Einstein關系及流過集電結的電子電流近似等于總電流得到：少子在N-drift

9、區(qū)的分布：N-drift區(qū)少子與基-集結偏壓的關系為：N-drift區(qū)壓降為：由于：將VBCJ和VD表達式代入上式得到：飽和區(qū)一旦有上述二次方程求的pNS(0)，即可VDN-drift區(qū)存儲的過剩少子電荷為：N-drift區(qū)空穴電流(少子)用于維持該區(qū)域載流子復合，所以空穴電流密度為：飽和區(qū)通態(tài)電壓近似等于該電壓，通常為100300mV準飽和區(qū)IB減小導致N-drift區(qū)不能完全被電導率調(diào)制，被電導率調(diào)制的N-drift區(qū)寬度為未被電導率調(diào)制的N-drift區(qū)寬度未被電導率調(diào)制的N-drift區(qū)壓降成為通態(tài)壓降的主要部分3.3 開關特性電子在基區(qū)渡越時間基區(qū)電子存儲集電極電流隨時間變化集電極電

10、流上升時間關態(tài)過程大電流效應- Webster效應在大注入條件下，為維持基區(qū)電中性，大量的多子空穴從基極注入，導致從基區(qū)注入到發(fā)射區(qū)的空穴流增大，從而最終導致發(fā)射結注入效率降低在大注入條件下，發(fā)射結邊界處空穴濃度流過發(fā)射結的空穴電流忽略基區(qū)載流子復合，基極電流等于注入發(fā)射區(qū)的空穴電流所以共射電流增益IC/IB( )大電流效應- Kirk效應放大模式下，Jc比較小時，N-drift區(qū)耗盡層電場分布主要由電離施主濃度決定。在大注入條件下，電子濃度變得與施主濃度相差不大，這些電子會對帶正電荷的施主雜質(zhì)起到補償作用，從而電場分布也受到這些電子濃度的影響。電子以飽和速度通過集電結區(qū)，所以電子濃度求解Po

11、isson方程 得到電場分布Jc增大，電場線性分布的斜率變小(ab).當Jc增大到 時，耗盡區(qū)電荷為0，電場為一常數(shù)值。Jc進一步增加，使得耗盡區(qū)凈電荷為負，電場分布變成Jc增大，導致有效基區(qū)展寬，電流增益減小大電流效應-發(fā)射極電流集邊效應低注入情況，電流集邊效應高注入情況，電流集邊效應為減小電流集邊效應，集電極常采用叉指構型第四章 晶閘管 工作狀態(tài) 開通，正向阻斷，反向阻斷 工作原理 雙BJT模型 物理模型 瞬態(tài)過程 各種晶閘管4.1 結構和工作狀態(tài)晶閘管(thyristor)用于非常高的功率場合，阻斷電壓常超過3000V，為承受如此高壓，N-drift區(qū)摻雜極低。器件輸出特性如左下圖：(1

12、) 反向阻斷態(tài)(2) 正向阻斷態(tài)(3) 正向?qū)☉B(tài)反向阻斷J1結和J3結反偏，J2結正偏。J3結兩邊區(qū)域摻雜濃度較高，只能維持比較小的反向偏壓(50V)，所以反向阻斷電壓主要降落在J1兩端反向阻斷能力由如下因素決定：(1)雪崩擊穿電壓：(2)穿通電壓：(3)介于上述極限之間，類似于開路PNP晶體管，擊穿電壓決定于J2處空穴注入效率、N-基區(qū)空穴擴散長度及有效基區(qū)厚度.發(fā)生擊穿時，共基極電流增益滿足其中基區(qū)輸運系數(shù)、有效基區(qū)寬度及倍增因子分別為正向阻斷態(tài)當陽極(P+)施加正向正電壓時，J1結和J3結正偏，J2結反偏。反向阻斷電壓降落在J2兩端N-區(qū)穿通決定的擊穿電壓：P區(qū)穿通決定的擊穿電壓：正向

13、導通狀態(tài)隨著正向電壓升高，器件從高阻態(tài)轉換到低阻態(tài)，J2結附近有大量過剩載流子，在整個器件內(nèi)層，注入的電子和空穴濃度要遠大于多字的平衡濃度，晶閘管行為類似與P-i-N二極管4.2 晶閘管開關的雙晶體管模型22202()CECIMIIIG=0且正向偏壓大于VAS時，晶閘管從正向阻斷態(tài)轉變?yōu)榈妥杩箤☉B(tài)。類似于基極開路的BJT，流過整個器件的電流為：J2擊穿時，考慮到電流倍增則有Ic1Ic21212AKEECCIIIIII11101()CECIMII陽極電流得到開通條件IG0，導致發(fā)射極電流增加，電流增益增大，晶閘管可以在較低的陽極電壓下開通010112()1()CCAM IIIM12()1M4.3 晶閘管開關的能帶變化正向阻斷態(tài)正向阻斷態(tài): J1,J3正偏，J2反偏，空穴從P1注入N1被J2的反偏電場抽運到P2，使其能帶降低，導致J3更加正偏；與之對應，電子聚集在N1區(qū)使之能帶升高，導致J1更加正偏。