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硅基肖特基二極管
閱讀�4470時間�2017-07-19 09:35:19

    由于SiC 材料具有禁帶寬度�,載流子遷移率較�( �(dá)到Si 材料�80%),�(jìn)入了研究人員的視線,多種�(jié)�(gòu)SiC 基器肖特基結(jié)器件見諸報道。但SiC 材料昂貴,適用于制�600 V � 3000 V 的高速器�。因此在300 V � 500 V 電壓范圍�(nèi),硅基肖特基�(jié)二極�仍有很大的市場空��

概述

    功率器件的發(fā)展和�(yīng)�

    20 世紀(jì) 50 年代,代雙極型功率器件——硅晶閘管成功問�,不僅滿足了�(dāng)時人們對某些電力開關(guān)的需�,也同時指明了電力能源分配由原始的粗放化向精�(xì)化發(fā)展的方向。隨著研究人員對功率器件物理機理的深入研究以及實驗過程的不斷探索,功率器件的�(fā)展可謂突飛猛�(jìn)。應(yīng)用于大功率工作環(huán)境下的門極可�(guān)斷晶閘管(GTO�,應(yīng)用于低壓但開�(guān)速度很高的功率場效應(yīng)晶體管(power MOSFET),以及�(yīng)用于中等電壓、中等頻率范圍的絕緣柵雙極型晶體 管(IGBT)等�(chǎn)品相繼問�,克服了代功率器件在可控�、高速性、易�(qū)動性等多方面存在的問題,推動著功率器件向更高效、更安全的方向發(fā)�,�(jìn)而促使新型大功率電力電子裝置成功的應(yīng)用于各種工業(yè)電源、電能質(zhì)量控�、電機驅(qū)動、國防和分布式發(fā)電等�(lǐng)��

    早在 20 世紀(jì) 80 年代,電力系�(tǒng)已成為超高壓�(yuǎn)距離輸電、跨區(qū)域聯(lián)�(wǎng)的大系統(tǒng),隨后可再生能源�(fēng)電的加入又極大的推動了電力系�(tǒng)的�(jìn)�。電力系�(tǒng)的龐大使人們對電力系統(tǒng)的安�、穩(wěn)定和高速要求更�,這不僅需要現(xiàn)代電�(wǎng)的管理方式和運營模式,而且需要電力電子設(shè)備具有更高的電壓、更大的功率容量和更高的可靠性�

    幾乎所有的功率系統(tǒng)中都采用硅器�,但受到硅材料物理參�(shù)的限�,基于硅工藝的功率器件功率半�(dǎo)體器件現(xiàn)在的水平基本�(wěn)定在 10-10 W·HZ 左右。首�,硅的低擊穿電場使得高耐壓得采用厚的輕摻雜層,這將�(dǎo)致較大的串聯(lián)電阻,尤其對于單級器件更是如�。其次是硅禁帶寬度窄,使得器件在較低的溫度下就有較高的載流子濃度,高的漏電流造成不可恢復(fù)的熱擊穿,限制了器件在高溫和大功率耗散條件下的�(yīng)�,再�,硅的熱�(dǎo)率較�。因此對于更高要求的電網(wǎng),目前只能對�(xiàn)有的硅基器件采用�、并�(lián)技�(shù)和復(fù)雜的電路�?fù)鋪韺崿F(xiàn),這導(dǎo)致了故障率和成本增加很多,制約了�(xiàn)代電力電子器件在電力系統(tǒng)中的�(yīng)用�

    肖特基結(jié)二極�( SBD) 是高頻電子電路中必不可少的配套器�,但其反向擊穿電壓較�,僅�100 V 左右,且漏電流較�,限制了肖特基二極管在要求較高耐壓的高頻電子電路中的應(yīng)用。因此高耐壓肖特基結(jié)器件一直是研究的熱�。為了減小肖特基二極管漏電流并提高其擊穿電壓,B� J� Baliga 等人提出了結(jié)勢壘肖特�( JBS) �(jié)�(gòu)和P-i -n 與肖特基�(jié)混合�( MPS)�(jié)�(gòu)。其中JBS �(jié)�(gòu)通過p+-n �(jié)勢壘屏蔽效應(yīng),能大大降低肖特基二極管的漏電流。而MPS �(jié)�(gòu)通過在正�?qū)〞r漂移區(qū)電阻率調(diào)制效�(yīng),能盡可能地降低漂移區(qū)濃度,從而提高肖特基二極管的擊穿電壓。但由于有少�(shù)載流子的注入,增加了MPS 二極管的回復(fù)時間�

    隨著新材料技�(shù)的發(fā)�,由于SiC材料具有禁帶寬度�,載流子遷移率較�( �(dá)到Si 材料�80%),�(jìn)入了研究人員的視�,多種結(jié)�(gòu)SiC 基器肖特基結(jié)器件見諸報道。但SiC 材料昂貴,適用于制�600 V � 3000 V 的高速器件。因此在300 V � 500 V 電壓范圍�(nèi),硅基肖特基�(jié)二極管仍有很大的市場空間�

    功率電子系統(tǒng)�,好的整流器需滿足開啟電壓和漏電流小,擊穿電壓和開�(guān)速度�,導(dǎo)通電流大等條件,這是研究者設(shè)計與制造工作的前�(jìn)方向。近年來肖特基勢壘二極管的低功�、大電流、超高速和極短的反向恢�(fù)時間使其廣泛�(yīng)用于高頻開關(guān)電源、低壓續(xù)流電路和保護(hù)電路�

硅基肖特基勢壘二極管�(jié)�(gòu)

    MBR1045、HBR10100A是單外延保護(hù)�(huán)�(jié)終端肖特基勢壘二極管(簡稱S-SBD)。MBR1045、HBR10100A的肖特基金屬分別為Ni和Ti。MBR1045、HBR10100A 的主要工藝流程為外延片→場氧化→P保護(hù)�(huán)光刻→P保護(hù)�(huán)腐蝕→P注入→P推結(jié)→肖特基接觸形成→歐姆接觸形�。其中注入工藝中的注入劑量和能量分別� 1×10cm�60keV。P推結(jié)是利用限定源擴散工藝實現(xiàn)�,表面濃度大約在1×1019cm�

    硅基肖特基勢壘二極管�(jié)�(gòu)�(yōu)�

    鎳通常用來� N 型硅形成肖特基接�,且勢壘高度隨著工藝變化而變�,其變化范圍� 0.5~0.9eV。一� NiSi/Si 可形� 0.64eV 左右的勢壘高�,� NiPt/Si 形成 0.78eV 左右的勢壘高度。結(jié)合已有產(chǎn)品測試結(jié)�,耐壓� 45V�100V 兩種硅基肖特基勢壘二極管的肖特基勢壘高度分別� 0.64eV � 0.78eV;保�(hù)�(huán) P區(qū)的摻雜濃� l×10cm。除了肖特基勢壘高度� P+保護(hù)�(huán)的窗口寬�、結(jié)深外,SBD 的外延層厚度、濃度,場氧化物的厚度等也影� SBD 的正�?qū)ㄌ�?、反向截止特性、結(jié)電容�� �(dāng) SBD 加反向偏壓時,類� PN �(jié)二極管擊穿電壓限制肖特基勢壘管的阻斷電壓�

    對于 S-SBD 而言,外延層濃度增加,導(dǎo)通壓降減�,反向漏流變�,特征導(dǎo)通電阻變�,結(jié)電容變大;并� S-SBD隨著外延層厚度增�,導(dǎo)通壓降變�,反向漏流減小,特征�(dǎo)通電阻變�,結(jié)電容變大。為了達(dá)到實� 45V�100V 反向耐壓� SBD,根�(jù)以往科技工作�(jīng)�,設(shè)計時 SBD 的反向耐壓分別�(dá)� 52V�120V 以上。根�(jù)上面三個式子可以初步估測出兩種反向耐壓的SBD 的外延層濃度和厚度范��

    D-SBD 主要特點是它的外延層� N外延層和 N 外延層兩部分組成,N 外延層摻雜濃度高� N-外延�,但�(yuǎn)低于 N襯底。與 S-SBD 相比,增加一層濃度較高的 N 外延層使表面 RESURF 條件�(fā)生一定的變化,使表面電場分布改變,在提高縱向耐壓的同時降低導(dǎo)通電�。D-SBD 的結(jié)�(gòu)參數(shù)主要有器件長� L;N層雜�(zhì)濃度 Nd1,厚� tepi1;N 外延層雜�(zhì)濃度 Nd2,厚� tepi2;氧化層厚度 tox;保�(hù)�(huán)�(jié)� xj,寬� W,位� d�

    外延層優(yōu)�

    外延層厚�

    �(dāng)器件尺寸為定值時,無論肖特基勢壘高度 Фsbh� 0.64eV 還是 0.78eV D-SBD,隨� N-外延層的厚度變大,D-SBD 的擊穿電壓和特征�(dǎo)通電阻均變大;相反地,隨� N 外延層的厚度變大,D-SBD 的擊穿電壓和特征�(dǎo)通電阻均變小�

    �(dāng)tepi1與tepi2之和及器件尺寸為定值時,對于肖特基勢壘高度�0.64eV D-SBD,導(dǎo)通壓降隨� N-外延層的厚度增加略有增加;當(dāng) tepi12μm,零偏時�(jié)電容基本不隨 tepi1� tepi2變化。對于肖特基勢壘高度� 0.78eV D-SBD,導(dǎo)通壓降隨� N-外延層的厚度增加略有增加;當(dāng) tepi14μm,零偏時�(jié)電容基本不隨 tepi1� tepi2變化。所以在滿足耐壓情況下獲得盡量小特征�(dǎo)通電阻和�(dǎo)通壓降與�(jié)電容,本文對于肖特基勢壘高度� 0.64eV D-SBD 的外延層厚度�?。簾o論任何器件尺� tepi1=2μm,tepi2=1μm;對于肖特基勢壘高度� 0.78eV D-SBD 的外延層厚度�?。簾o論任何器件尺� tepi1=1μm,tepi2=9μm�

    外延層濃�

    �(dāng)其他�(jié)�(gòu)參數(shù)為定值時,對于肖特基勢壘高度� 0.64eV D-SBD 隨著 N-外延層的濃度變大,擊穿電壓和特征�(dǎo)通電阻均�??;對于肖特基勢壘高度� 0.78eV D-SBD 隨著 N外延層的濃度變大,擊穿電壓變�,然而特征導(dǎo)通電阻則略有增大�

    �(dāng)N外延層濃度及器件尺寸為定值時,對于肖特基勢壘高度�0.64eV D-SBD 隨著 N外延層濃度變大,�(dǎo)通壓降變�,零偏時�(jié)電容略有增加。對于肖特基勢壘高度� 0.78eV D-SBD,當(dāng) L=1778μm 時隨� N外延層的濃度變大,導(dǎo)通壓降減??;當(dāng) L=2040μm � L=2290μm 時隨� N外延層的濃度變大,導(dǎo)通壓降變�;但是導(dǎo)通壓降隨著外延層濃度變化一個數(shù)量級僅變化約� 0.004V。然而肖特基勢壘高度� 0.78eV D-SBD 隨著 N-外延層的濃度變大,零偏時�(jié)電容明顯增加。所以在滿足耐壓要求情況下以降低特征�(dǎo)通電阻、導(dǎo)通壓降與�(jié)電容折衷,本文對于肖特基勢壘高度� 0.64eV D-SBD � N-外延層的濃度�?。寒?dāng) L=1778μm � Nd1=6.1×10cm;當(dāng) L=2040μm 和L=2290μm � Nd1=5×10cm。對于肖特基勢壘高度� 0.78eV D-SBD � N-外延層的濃度�?。簾o論任何器件尺� Nd1=1×10cm�

    D-SBD 的擊穿電壓和特征�(dǎo)通電阻隨� N 外延層濃度變化。當(dāng)其他�(jié)�(gòu)參數(shù)為定值時,對于肖特基勢壘高度� 0.64eV D-SBD 隨著 N 外延層的濃度變大,擊穿電壓和特征�(dǎo)通電阻均�??;對于肖特基勢壘高度� 0.78eV D-SBD 隨著 N 外延層的濃度變大,擊穿電壓變�,然而特征導(dǎo)通電阻則略有增大�

    �(dāng) N-外延層濃度及器件尺寸為定值時,無論肖特基勢壘高度 Фsbh 26 � 0.64eV 還是 0.78eV D-SBD,隨� N 外延層濃度變�,導(dǎo)通壓降變小,零偏時結(jié)電容略有增加�

    �(jié)終端�(shè)�

    SBD 在肖特基接觸的邊緣電場線集中,電場強度增加導(dǎo)致勢壘降低,因隧道效�(yīng)明顯增加了反向漏電流,反向截止特性變軟,� SBD 的耐壓�(yuǎn)低于平面�(jié)。為緩解邊緣電場線集中效�(yīng),通常有兩種技�(shù)路徑�(1)改善耗盡層曲率,使表面耗盡層橫向擴展到場板邊緣之外�(2)使用局部氧�(local oxidation of silicon,LOCOS)工藝,在肖特基接觸邊緣處生成二氧化硅�。結(jié)終端大致分類如圖 3.9 所示,其中保護(hù)�(huán)特別適用縱向器件,設(shè)計關(guān)鍵是�(yōu)化環(huán)深度與個數(shù)和環(huán)間距使得主結(jié)和環(huán)�(jié)同時�(dá)到臨界擊穿電場,可使器件耐壓化。須指出�(huán)�(shù)增多,器件耐壓非線性提�、自身面積越大和仿真�(shù)�(jù)也急劇地增加�

硅基肖特基勢壘二極管特�

    硅基肖特基勢壘二極管靜態(tài)特�

    正向?qū)ㄌ�?/FONT>

    對于 SBD 來說,正�?qū)ü?PF)是導(dǎo)通壓降與�(dǎo)通電�(IA)乘積,它對總體功耗的影響。一� IA是預(yù)先設(shè)定的,則降低�(dǎo)通壓降是降低 PF的途徑。一般通過增大有源區(qū)面積來降� VF,這與器件小型化、結(jié)電容最小化、縮短反向恢�(fù)時間相矛�。為了降� VF�

    反向截止特�

    肖特基勢壘二極管的耗盡層厚度僅僅數(shù)個納米,隨著反向偏壓變大隧穿機率升高,易�(fā)生軟擊穿,所以硅� SBD 的耐壓都在 100V 以內(nèi)�

    對于肖特基勢壘高度為 0.64eV POP-SBD、PIP-SBD、D-SBD � S-SBD 的擊穿電壓均� 52V 以上,擊穿時反向漏流小于 24 nA;而對于肖特基勢壘高度� 0.78eV POP-SBD� PIP-SBD、D-SBD � S-SBD 的擊穿電壓均� 120V 以上;擊穿時反向漏流小于 0.31 nA。無論勢壘高度為 0.64eV 還是 0.78eV,四種器件的反向漏流都隨著器件尺寸變小而變�,這說明在同樣耐壓下器件尺寸變小不僅調(diào)高了功率密度而且降低了功耗�

    �(jié)電容

    外延層的電阻率決定器件的�(jié)電容。器件設(shè)計耐壓滿足 52V � 120V 以上,肖特基勢壘高度� 0.64eV 器件:D-SBD � S-SBD 比較,它的特征導(dǎo)通電阻在 L � 2290μm�2040μm � 1778μm 分降低了 42%�48%� 57%,當(dāng)器件尺寸一� POP-SBD � PIP-SBD � D-SBD 比較,它們的特征�(dǎo)通電阻基本不�;當(dāng)器件尺寸一� PIP-SBD � D-SBD � S-SBD 比較,它們的零偏時結(jié)電容變化小于 5%,然� POP-SBD � S-SBD 比較,它的零偏時�(jié)電容升高�13%。肖特基勢壘高度� 0.78eV 器件:當(dāng)器件尺寸一� D-SBD � S-SBD 比較,它的特征導(dǎo)通電阻和零偏�(jié)電容分別降低�33%�51%;當(dāng)器件尺寸一定POP-SBD和PIP-SBD� D-SBD 比較,它們的特征�(dǎo)通電阻和�(jié)電容變化可忽�。無論肖特基勢壘高度與器件尺� POP-SBD、PIP-SBD、D-SBD � S-SBD 比較,它們的�(dǎo)通壓降變化小� 0.03V�

    硅基肖特基勢壘二極管動態(tài)特�

    靜電失效

    MOS 器件、含� MOS 電容或鉭電容的雙極型電路和混合電路靜電失效多為過電壓所致場失效;雙極型器件、含 PN �(jié)二極管保�(hù)電路、肖持基二極管以及含有雙極器件的混合電路靜電失效多屬于過電流所致熱失效。實際元器件�(fā)生哪種失效取決于靜電放電回路的絕緣程度。通常在反偏電壓下載流子由熱產(chǎn)�,隨� ND增加電壓勢壘降低,當(dāng) ND大于外延層摻雜濃度時電壓勢壘減少到零并且�(fā)生熱擊穿�