混合PiN/Schottky二極管的研究

關(guān)艷霞，李銀娜

（沈陽工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870）

混合PiN/Schottky二極管的研究

關(guān)艷霞，李銀娜

（沈陽工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870）

對(duì)混合PiN/Schottky二極管（MPS）進(jìn)行研究，首先對(duì)MPS二極管的工作原理進(jìn)行了分析，通過對(duì)MPS二極管、肖特基二極管、PIN二極管的伏安特性進(jìn)行模擬，結(jié)果表明MPS二極管正向壓降小，電流密度大，反向漏電流小，是一種具有肖特基正向特性和PN結(jié)反向特性的新型整流器.可以通過改變肖特基和PN結(jié)的面積比來調(diào)整MPS二極管的性能，與肖特基二極管和PIN二極管相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)，是功率系統(tǒng)不可或缺的功率整流管。

MPS；PiN；Schottky；伏安特性；模擬

電力電子技術(shù)的發(fā)展使作為電力電子技術(shù)重要基礎(chǔ)的電力電子器件得到了廣泛的關(guān)注和研究。功率整流管是電力電子器件中結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，應(yīng)用最廣泛的一種開關(guān)器件。從器件結(jié)構(gòu)上，功率整流管大致可以分為三種：PiN二極管，肖特基二極管（SBD），MPS 二極管（Merged PiN Schottky diodes）。MPS結(jié)構(gòu)將PN結(jié)集成在肖特基結(jié)構(gòu)中，在反向應(yīng)用時(shí)PN結(jié)的耗盡區(qū)將肖特基界面屏蔽于高場(chǎng)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少，而正向?qū)щ娞匦匀匀挥尚ぬ鼗佑|決定。由于MPS二極管在功率系統(tǒng)中有很好的應(yīng)用前景，所以有必要對(duì)MPS二極管進(jìn)行較深入的研究，優(yōu)化MPS二極管的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并與肖特基二極管，PIN二極管進(jìn)行比較，證明MPS二極管的相對(duì)優(yōu)勢(shì)[1]。

1 MPS二極管工作原理

MPS整流管的結(jié)構(gòu)中包含了肖特基二極管和PIN二極管的結(jié)構(gòu)，所以工作原理也基于這兩種二極管之間。圖1為MPS二極管元胞示意圖。半導(dǎo)體器件中的載流子濃度對(duì)器件的工作特性有很大的影響。MPS中，施加正向偏置電壓時(shí)，存在3個(gè)過程。第一個(gè)過程，施加正向電壓開始，P+區(qū)開始向肖特基區(qū)域注入空穴，隨著電壓的升高注入量隨之增大，其中載流子的濃度分布發(fā)生變化。同時(shí)，PN結(jié)勢(shì)壘和肖特基勢(shì)壘下降，肖特基和PN結(jié)均未導(dǎo)通，所以漂移區(qū)的電子濃度梯度近似為零；第二個(gè)過程，隨著電壓的繼續(xù)升高，肖特基區(qū)域首先導(dǎo)通，漂移區(qū)和溝道區(qū)的少數(shù)載流子濃度梯度不再為零，外延層的電子通過肖特基區(qū)域形成的溝道進(jìn)入金屬，形成電流；第三個(gè)過程，繼續(xù)升高正向電壓，PN結(jié)導(dǎo)通，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，呈現(xiàn)出混合整流的特性，既有肖特基整流特性，同時(shí)具有PN結(jié)整流特性。同時(shí)多數(shù)載流子在電場(chǎng)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[2-3]。

2 MPS二極管結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)思想

圖1 MPS二極管元胞示意圖Fig.1 MPS diode cell schematic

對(duì)MPS二極管的結(jié)構(gòu)及工作原理分析知，MPS二極管兩端加高反向電壓時(shí)的大部分電壓由PiN部分承受，此時(shí)反向特性接近PN結(jié)，當(dāng)MPS二極管兩端加正向電壓時(shí)，此時(shí)正向特性與肖特基二極管的正向電學(xué)特性相似，所以再設(shè)計(jì)MPS二極管反向耐壓時(shí)可以參考PiN二極管的擊穿電壓，通過調(diào)整N-區(qū)的厚度和摻雜濃度，使MPS二極管的反向擊穿電壓接近耐壓指標(biāo)，再通過調(diào)整P+區(qū)域和肖特基區(qū)域的寬度比使MPS二極管的反向擊穿電壓達(dá)到指定的耐壓值。在滿足耐壓的條件下增大P+區(qū)的濃度，增大注入效率，增大電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，從而降低N-區(qū)串聯(lián)電阻，改善MPS二極管的正向特性和降低功耗[4]。

2.2 關(guān)鍵參數(shù)N-摻雜濃度

MPS二極管反向時(shí)特性接近PiN二極管，而PiN二極管的反向擊穿電壓主要由基區(qū)的摻雜濃度和厚度決定。對(duì)于功率整流管來說，擊穿電壓一般很高，一般可用單邊突變結(jié)來近似計(jì)算二極管的雪崩擊穿電壓。對(duì)于平行平面結(jié)，單邊突變P+N-結(jié)的情況，施加反向電壓后，空間電荷區(qū)的展寬主要在輕摻雜區(qū)一側(cè)。當(dāng)輕摻雜一側(cè)的寬度大于雪崩擊穿時(shí)，空間電荷區(qū)在該側(cè)展寬時(shí)，其雪崩擊穿電壓由輕摻雜區(qū)的摻雜濃度決定。

VB=5.34×1013ND-3/4=5.34×1013（qμnρ）3/4（1）

若電子遷移率 μn取為 1 350～1 550 cm2/V.S時(shí)，式（1）可寫成，此式便是國內(nèi)功率半導(dǎo)體器件生產(chǎn)中實(shí)際常用的一個(gè)公式，將反向耐壓值代入式（1）中，得摻雜濃度ND。

2.3 關(guān)鍵參數(shù)N-區(qū)厚度WN

由晶體管原理知道單邊突變結(jié)P+N-的空間電荷區(qū)在N-區(qū)側(cè)的展寬為

式中A=0.531

1）確定 N-區(qū)的厚度WN

為了確保非穿通，應(yīng)取WN＞1.2XmB，經(jīng)驗(yàn)上WN取值為：

2）將ND代入得WN

3 特性模擬與分析

在反向耐壓都是1 300 V的MPS二極管，肖特基二極管和PIN二極管模擬中，測(cè)得他們的正向特性曲線如圖2和3所示。

圖2 MPS和PIN二極管正向特性Fig.2 Forward characteristic of MPS and PIN diode

圖3 肖特基二極管正向特性Fig.3 Reverse characteristic of MPS and PIN diode

由圖中可以看出MPS二極管的正向開啟電壓與肖特基二極管相比相差無幾，但比PIN二極管要小得多，這是因?yàn)镸PS結(jié)構(gòu)在正向偏壓下，起主要作用的是肖特基，他決定了開啟電壓，也就是說MPS二極管的正向特性接近肖特基二極管，具有好的正向特性[5]。

圖3是在相同外部條件下肖特基寬度變化對(duì)MPS二極管正向特性的影響，從圖3我們可以發(fā)現(xiàn)隨著肖特基寬度的增大，MPS正向電流密度逐漸增大，當(dāng)肖特基的寬度大到一定程度時(shí)，MPS的特性很接近于肖特基二極管，當(dāng)PN結(jié)的寬度大到一定程度時(shí)，MPS的特性接近于PIN二極管[6]。

圖4是在相同外部條件下肖特基寬度變化對(duì)MPS二極管反向特性的影響，MPS二極管的擊穿電壓與PN結(jié)接近，但比肖特基二極管的擊穿電壓要大很多，這是因?yàn)镸PS結(jié)構(gòu)在反偏電壓下，起主要作用的是PN結(jié)，它決定了擊穿電壓，而且PN結(jié)的擊穿特性比肖特基二極管要好得多。從圖4中我們可以發(fā)現(xiàn)隨著肖特寬度的減小，MPS反向耐壓逐漸增大，反向漏電流減小，即當(dāng)肖特基寬度的減小時(shí)，MPS二極管的特性接近PIN二極管，當(dāng)肖特基區(qū)的寬度增大時(shí)，MPS的擊穿電壓逐漸減少，向肖特基二極管靠近[7-8]。

圖4 肖特基寬度的變化對(duì)MPS正向特性的影響Fig.4 Changes of the width of the Schottky effect on the forward characteristics of MPS

圖5 肖特基寬度的變化對(duì)MPS反向特性的影響Fig.5 Changes of the width of the Schottky effect on the reverse characteristics of MPS

4 結(jié) 論

文中利用Silvaco軟件對(duì)混合PiN/Schottky二極管（MPS）的特性[9]進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明，MPS二極管的工作原理是正向時(shí)肖特基起主要作用，反向時(shí)，PN結(jié)起主要作用。MPS結(jié)構(gòu)綜合了肖特基結(jié)構(gòu)和PN結(jié)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，具有很好的正向和反向特性，即正向壓降小，正向電流密度大，反向漏電流小，擊穿電壓高，并且可以通過增大肖特基的面積比來提高其正向特性，又可以通過增加PN結(jié)的面積比來提高其反向特性。所有這些特性都有助于建立一個(gè)功耗小，尺寸小，效率高的功率系統(tǒng)。MPS二極管是理想的功率整流器。

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Study of merged PiN/Schottky diode（MPS）

GUAN Yan-xia，LI Yin-na
（College of Information Science and Engineering， Shenyang University of Technology， Shenyang 110870， China）

The main purpose of this paper is to study the merged PiN/Schottky diode （MPS）.Firstly，the MPS diode operating principle is analyzed ，Though the volt-ampere characteristics of merged PiN/Schottky diode （MPS）、Schottky diode、PiN diode were simulated，the results show that the MPS diode forward voltage drop is small，current density is big，reverse leakage is small，is a kind of Schottky forward characteristics and PN junction reverse characteristics of the new rectifier.By changing Schottky and PN junction area ratio to adjust the performance of MPS diode，compared with Schottky diode and PiN diode has obvious advantages，is an indispensable power rectifier of power system.

MPS； PiN； Schottky； Volt-ampere characteristics； simulate

TN31

A

1674-6236（2014）15-0140-03

2013-10-27 稿件編號(hào)：201310209

關(guān)艷霞（1963—），女，遼寧海城人，博士，副教授。研究方向：電力半導(dǎo)體器件和微機(jī)電系統(tǒng)。