毕业设计（论文）200A1200V软恢复快速二极管设计

1、200a/1200v 软恢复快速二极管设计 200a/1200v fast and soft recovery switching power diode design 毕业设计毕业设计（ （论论文）指文）指导导教教师审阅师审阅意意见见 题目：200a/1200v 软恢复快速二极管设计 评语： 指导教师： 毕业设计毕业设计（ （论论文）文）评阅评阅教教师审阅师审阅意意见见 题目：200a/1200v 软恢复快速二极管设计 评语： 评阅教师： 毕业设计（论文）答辩成绩评定毕业设计（论文）答辩成绩评定 专业毕业设计（论文）第 答辩委员会于 年 月 日审定了 班级 学生的毕 业设计（论文） 。 设计

2、（论文）题目： 设计（论文）说明书共 页，设计图纸 张。 毕业设计（论文）答辩委员会意见： 成绩： 专业毕业设计（论文）答辩委员会 主任委员 ： 摘要 软恢复快速功率二极管广泛应用于电力电子电路中，采用 mps 结构的软 恢复快速二极管即克服了传统 pin 二极管开关速度相应较低的缺点,又解决了肖 特基二极管较低击穿电压的缺陷，它具有速度快、击穿电压高的、漏电流小、 软恢复特性好的优点。目前，市场上运用的软恢复快速二极管大都为采用掺杂 重金属或通过电子辐照的 pin 二极管，因此对 mps 二极管的设计和研究具有 很重要的现实意义。 本课题对 mps 二极管的各个参数进行了设计和研究，利用半导

3、体器件模 拟软件（medici）对设计的结构进行仿真，并优化了器件的外延层掺杂浓度和 厚度、肖特基接触和 pn 结网格宽度、pn 结浓度和掺杂浓度等主要的结构参数。 本文首先介绍了大功率器件的应用和发展情况，然后根据我国现状，说明其在 国民经济中的实用价值，再引出 mps 二极管在应用时的相对优势、进而阐述 它的结构特点、工作原理和相关的特性。然后对各个参数并对其进行设计，考 虑到投片实验的昂贵性和设备环境的限制，最后利用软件 medici 对所设计的 mps 二极管结构进行了仿真，并对结果进行理论分析，对不能达到预期目标的 提出改进措施，再重复设计、进行参数的优化。最后的仿真结果表明所设计的

4、 结构满足了设计要求。 关键词：关键词：mps；diode；medici 仿真；快速；软恢复仿真；快速；软恢复 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 录录 摘要 .i abstract .ii 第 1 章 引言 .1 第 2 章 软恢复快速二极管的结构和工作原理 .4 2.1 软恢复快速二极管发展概况 .4 2.

11、2 软恢复快速二极管的结构和类型.6 2.2.1 pin 结构软恢复快速二极管.6 2.2.2 肖特基结构软恢复快速二极管.8 2.2.3 mps 结构软恢复快速二极管.10 2.3 mps 二极管的工作原理 .11 第 3 章 mps 二极管的结构设计.14 3.1 设计思想 .14 3.2 mps 二极管的性能参数 .14 3.2.1 反向峰值电压 .14 3.2.2 反向漏电流 .14 3.2.3 正向导通压降 .15 3.2.4 反向恢复时间 .15 3.2.5 软度因子 .16 3.3 mps 二极管结构参数的设计 .16 3.3.1 p 区的设计 .17 3.3.2 n 基区的设计

12、 .17 3.3.3 其余纵向参数设计.19 3.3.4 横向设计 .19 第 4 章 仿真软件 medici 简介 .21 4.1 基本功能和特点 .21 4.2 medici 工作原理 .21 第 5 章 mps 二极管的仿真分析.23 5.1 反向阻断特性 .23 5.1.1 反向击穿电压 .23 5.1.2 反向漏电流 .24 5.2 正向导通特性 .26 5.2.1 正向开启电压 .26 5.2.1 正向导通压降 .28 5.3 反向恢复特性 .29 5.3.1 反向恢复时间 .29 5.3.2 软度因子的测算 .30 第 6 章 mps 二极管的表面造型与保护.31 第 7 章 结

13、论 .33 参考文献 .34 附录 a 反向阻断特性仿真程序 .35 附录 b 正向导通特性仿真程序 .37 附录 c 反向恢复特性仿真程序 .39 致谢 .40 第 1 章 引言 1956 年可控硅整流器(英文缩写 scr，泛称晶闸管)的发明并于次年由 ge 公司推出商品，是半导体应用由弱电跨入强电的里程碑。其后平面工艺和外延 技术的发明，又使半导体器件向两大分支发展：一支以晶体管或其它半导体器 件组成愈来愈小的集成电路，为适应微型化发展，形成了以半导体集成电路为 主体的新兴学科一微电子学；另一分支则是以晶闸管为主体的功率(电力)半导 体分立器件，向愈来愈大的功率方向发展，为解决电力电子与控

14、制技术形成了 以静态功率变换和电子控制为主要内容的新兴边缘学科电力电子学。 1973 年，newell 在第四届硅电力电子学专家会议（pesc）上提出，电力电 子学是介于电器工程三大领域：电力、电子与控制之间的边缘学科，并用所谓 “倒三角”定义来说明。这一定义已被国际上所公认。根据“倒三角”定义， 电力电子学就是已晶闸管为主体的功率（电力）半导体器件为核心部件，跨于 电力、电子和控制三大领域的一门边缘学科。 作为边缘学科的电力电子学，它所包含的内容及其广泛，既有半导体器件 问题，也有电路、控制、装置即器件的应用问题。尽管它们都有各自的理论装 置、系统和发展方向，但它们之间又是相互关联的。电力半

15、导体器件的发展， 特别是新型器件的出现和采用，都会以自己的特长占有不同的应用领域，使应 用面不断拓宽和扩大；反过来，电力电子技术的发展对器件提出更高的要求， 又会促进器件的性能的提高和新器件的发展。因为用什么器件的串、并联技术， 用什么样的电路来实现装置设备，反映了器件与线路之间的关系。新的器件能 促进电路达到新的水平，而新的电路则可祢补器件性能之不足。为了使电路达 到更完善的水平，还必须提高控制水平；这就要求采用新的控制方式和使用新 的工具。但是，器件、电路及系统控制的最终目的是要完成一个实用的电力电 子装置。由此可见，电力电子学把器件、装置、控制系统紧密地联系在一起， 它们相辅相戍，形成一

16、个具有内在系统性的有机体。 作为一门应用科学，它广泛应用于科学研究，国民经济中的电力、交通、 通讯、冶金、机械、化工、仪器仪表及国防工业等部门，并逐步推广到家用电 器等应用领域。特别是电力电子技术作为节能最富有成效的技术之一，已成为 发展快、生命力强的技术之一。 电力电子技术作为国民经济各项高技术发展的基础技术，为大幅度节能， 机电一体化，提高生产效能提供主要支撑技术，而电力电子技术的核心和基础 则是电力半导体器件。 电力电子技术发展的快慢，在很大程度上取决于电力电子器件的发展水平。 器件容量的扩大和结构原理的更新，特别是新型器件的出现都是各种应用技术 发展的要求和半导体器件理论、半导体材抖、

17、半导体工艺发展的结果。近几十 年来，新技术、新工艺方面就出现了中子姬变掺杂，电子辐照、 辐照的寿命 控制技术；器件的 cad 技术；pn 结表面造型及终端技术；器件的高可靠技术 等；以及由微电子技术引入的精细加工技术，等等。电力半导体器件的基本理 论，从电流模式发展到电荷控制模式；出现了短路阴极理论；表面理论；gto 晶闸管从一维关断理论发展为二维关断模式，引入了阳极短路，隐埋门极等新 结构；gtr 的达林顿结构形式引伸到各种复合器件，并成为 mos 一双极型复 合器件的基本结构形式；特别是微电子技求与电力器件制造技术相结合所产生 的集成功率器件，使得以往不被人们重视的电力半导体一跃而成为高科

18、技发展 之列。此外，器件的封装已由压焊发展到压接式和全压接结构。总之，电力半 导体已在材料、器件基本理论、设计原理、制造技术等诸方面形成了自己的体 系和发展方向，成为半导体的一大独立分支。 50 年代第一个晶闸管和双极晶体管成为商品，标志着固态电力电子技术的 开始。此后，双极型半控器件(如:晶闸管、光控晶闸管、逆导晶闸管等)和全控 型器件(门极可关断晶闸管、电力晶体管、静电感应晶闸管等)相继出现，品类 繁多，且其电压、电流等额定值得到稳定提高。特别是 70 年代 ntd 硅单晶的 试制成功，双扩散工艺的成熟以及双正角造型技术的使用，使器件的电压、电 流、频率等额定值达到很高水平。虽然这些器件已

19、在电力电子技术领域得到广 泛的应用，但由于 scr , ltt 等半控器件存在着不能用门极控制其关断，因而 需要繁锁、复杂的辅助关断电路；又由于 gto，gtr 等全控器件存在着需要较 大的控制电流，因而需要由分立器件组成的庞大门极控制电路等原因，使这些 器件的发展和使用受到很大的影响。随着高性能、高频开关器件和 igbt、mct 的发展，开发高性能、高频电力整流管已成为一个非常重要和迫 切的任务。 众所周知，电力整流管是电力半导体器件中结构最简单、用途最广泛的一 种器件。通常应用的有普通整流二极管、肖特基二极管、pin 二极管、mps 二 极管。它们相互比较各有其特点：普通整流管具有较小的漏

20、电流，较高的通态 电压降（1.0-1.8）和几十微秒的反向恢复时间；肖特基整流管具有较低的通态 压降（0.30.6） ，较大的的漏电流，反向恢复时间几乎为零；而 pin 快恢复整 流管具有较快的反向恢复时间（几百 ns2s） ，但其通态压降很高（1.64.0） 。 为了满足快速开关器件应用配套需要，人们利用大规模集成电路工艺和精细的 镶嵌结构，将肖特基整流管和 pin 整流管的优点于一体，已研制出 mps(merged pin/schottky diode)结构的电力整流管，它不仅具有较高的反向阻 断电压，而且其通态压降很低，反向恢复时间很短，反向恢复峰值电流很小， 而且具有软的反向恢复特性。

21、mps 结构的电力整流管的通态压降约为 1v，反 向恢复时间是 pin 整流管的 1/2，反向恢复峰值电流是 pin 整流管的 1/3。若以 mps 整流管代替 pin 整流管与 igbt 配合使用，可使系统的总功耗降低 1/2， 大大改善了系统的性能。 鉴于上述原因，决定采用 mps 结构来完成本课题所要求的软恢复快速二极 管设计，所以本设计具有重要的意义。本文主要针对 mps 快速软恢复二极管的 结构进行设计，并对它的特性进行仿真研究，完成的工作包括以下内容： （1） 对 mps 二极管的工作原理和结构进行分析。 （2） 对它的结构参数进行了设计，以满足预期目标。 （3） 运用软件 med

22、ici 进行了器件的模拟仿真，并对结果进行了分析，改进 了预先设计的参数。 （4） 初步探讨了影响软度因子的因素。 第 2 章 mps 二极管结构和性能 2.1 软恢复快速二极管的发展概况 随着电力电子的发展,各种变频电路、斩波电路的应用不断扩大，这些电力 电子电路中的主回路不论是采用换流关断的晶闸管，还是采用有自关断能力的 新型电力电子器件，如 gto、mct、igbt 等，都需要一个与之并联的快速二 极管，以通过负载中的无功电流，减小电容的充电时间，同时会因负载电流瞬 时反向而感应产生高电压。由于这些电力电子器件的频率和性能不断提高，为 了与其关断相匹配，该二极管必需有具有快速开通和高速判

23、断的能力，即具有 短的反向恢复时间 t，较小的反向恢复电流和软恢复特性。 在高压、大电流的电路中，传统的 pin 二极管具有较好 的反射耐压性能， 且正向时它可以在很低的电压下就会导通较大的电流，呈现低阻状态。然而， 下身大注入的少数载流子的存在使得少子寿命较长，二极管的开关速度相应较 低，为提高其开关速度，可以采用掺杂重金属杂质和通过电子辐照的办法减小 少子寿命，但这又会不同程度的造成二极管的硬功夫恢复特性，在电路中引起 较高的感应电压，对整个电路的正常工作产生重要影响。因而，开发高频高压 快速软恢复大功率二极管已经成为一个非常重要和迫切的任务，具有重要的现 实意义。 目前，国内快速二极管的

24、水平已经达到 3000a/4500v，5us,但是各整流器 生产单位在减小二极管的反向恢复时间的同时，一般并不注意提高其软恢复性 能。现在这些二极管一般采用电子辐照控制少子寿命，其软度因子在 0.35 左右， 特性很硬。国内快速软恢复二极管的研制现状如下表所示： 表 2-1 国内快速软恢复二极管的研制现状 生 产 厂 家型 号 正向平 均电流 反向重复 峰值电压 反向恢 复时间 正向峰 值电压 反向重复 峰值电流 zk500500300300032.050 zk10001000300300052.080 zk15001500300300052.050 阜新晶体 管有限责 任公司 zk20002

25、000300300052.080 zk600600100045002102.6 zk800800100045002102.6 铁道部永 济电机半 导体分厂zk10001000100045002102.6 zk20060060020002101.8530 zk30090060020004101.7530 zk400100060020004101.740 北京整流 器厂 zk500120080020004152.150 zk6 40080040014001.02.050 zk6 40080040014002.01.550 zk6 400150040025002.02.2550 zk6 400150

26、040014001.02.0550 铁道部株 洲电力机 车研究所 半导体厂 zk6 400150040025003.01.6550 国际上快速二极管的水平已经达到 2500a/3000v，300ns,软度因子较小。采用 外延工艺制作的快速恢复二极管的软度因子较大（0.7） ，但它必须采用小方片 串并联的方式使用，以达到大电流、高电压的目的。这样做不仅增加了工艺的 复杂性，而且使产品的可靠性变差。我国的外延工艺水平较低，沿柿饼在研究 阶段，成品率较低，相对成本较高；而采用电力半导体常规工艺制作的快速恢 复二极管的软度因子较小。国外快速软恢复二极管的研制现状如下表所示： 表 2-2 国外快速软恢复

27、二极管的研制现状 国别型 号 正向平 均电流 反向重复 峰值电压 正向峰 值电压 反向恢复 时间 r722-0550025002.252 r7s2-0990014002.051美国 rt22r08ej120012001.62.0 dsf2013sd26160026001.85.8 dsf1114sm3681036002.36.5英国 sm21cxc224110021001.56.0 401pd03.0 53pja12060012002.03.5 fdf10828-25d90025001.55.5德国 skn4m1600/24100024003.04 arf322

28、80025001.754 意大利arf91280016001.154 2.2 软恢复快速二极管的结构和类型 一般将通过电流大于 1a 二极管称为功率二极管。软恢复快速二极管是一 种反向恢复时间短、恢复电荷量较小、可以工作在 400hz 以上频率的整流管， 其类型有 pin 结构、肖特基结构和 mps 结构的，它们具有各自特点。 2.2.1pin 结构软恢复快速二极管 pin 二极管是由 p 型和 n 型材料之间夹一本征层而构成的结型二极管。在 低频时，它具有与 pn 结相似的伏安特性，不仅能承受很高的反向电压，而 且具有小的正向电压降。理想的 pin 二极管 i 层材料应是本征型的，但是很难

29、做到。实际的 i 层可近似认为低掺杂的高阻层。因此，功率二极管都做成重掺 杂的 p+、n+层之间夹一层较厚的低掺杂的 p 型或 n 型层而构成：p+-n-n+或 p+- p-n+结构。 pin 二极管是由重掺杂的 p 型区和 n 型区之间夹一接近本征型的高电阻率 i 层构成，其一般结构，其一般结构如图 22 所示。i 层厚度由反向耐压和正 向电流决定。在热平衡时的能带图、载流子分布、空间电荷及电场分布 22 所 示。 + + + + + + + - - - - - - - - - p i n x2 x3 x4 x5 ec ev pn np p n x x x 电荷 e 图 21 pin 二极管

30、 的结构、能带、载流子分布空间电荷机电场分布 与 p-n 结类似，在 pi 结和 ni 结也会形成空间电荷区。因此 i 层可分为三 个区域：（1）x2到 x3之间的正电荷区；（2）x3到 x4的中性区；（3）x4到 x5 之间的负电荷区。中性 i 区相当一个长为（x4-x3）的电阻。因而 pin 二极管好 似一个 pi 二极管和一个电阻及一个 ni 二极管三者的串联组合。pin 二极管的 正向压降可视为三步分组成：pi 结和 ni 结的结压降以及 i 区的体压降。设外加 正向压降为 vf则 (2-1) mnipif vvvv 为降低 pin 二极管的正向压降而降低它的功耗，主要有以下措施： p

31、in 二极管常以 dla或 dla划分为“长”或“短”结构。dla为两 者的过渡标志。由于 la随注入载流子浓度增加而下降，因而在低电流密度下的 短二极管在高电流密度时会变成等效的“长”结构二极管，这样，器件在浪涌 电流（可高达 103a/cm2）下会遭受严重损害。因此，在器件设计时，应尽可能 地使 d/la在高电流密度时保持较小的值。这样，即使电流密度超过 103a/cm2时， 器件仍有如一个短结构二极管一样。同时，器件又能保持具有高压结构的所谓 “长”结构二极管的特点。显然，提高元件的过载能力，必须有高的基区少子 寿命，这和为减小大电流密度下的正向压降的要求是一致的。因此。提高少子 寿命是

32、提高功率整流管（及其他电力器件）过载能力的关键措施之一。 提高少子寿命，有利于增强基区电导调制作用，降低正向压降和提高过载 能力，但是，正如前面所分析的那样，不能无限制地增加少子寿命，否则会引 起结压降上升，甚至造成正向压降增加，这在器件设计时需要加以注意。 从正向电流经过二极管的途径可知，管子的正向压降除了基区体压降 vm， 结压降 vf=(vpi+vni)外，还应包括两端的接触压降 vb，金属与半导体的接触， 因为功函数的不同，也会形成空间电荷区、自建电场和势垒。可见这两者之间 的接触并不一定形成纯电阻型接触。接触电阻大，会造成压降和增加功率损耗； 同时在接触处产生的整流效应和非平衡少子注

33、入，会破坏元件本身的性能，所 以要求金属与半导体之间的接触应是低电阻的欧姆接触。 二极管反向恢复过程中，载流子的变化如图 27 所示。可见，尽管 pin 二极管的两个结都已承受反向电压，但反向电流并未衰减到最小值。i 区中的非 平衡载流子并未完全消失。剩余的非平衡载流子在反向电压增长过程中，一方 面从两端流出，一方面不断通过复合而消失。直到 t=t3，二极管反向电流减小 到反向饱和电流，近似承受反向电压为止。 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 图 22 pin 二极管反向恢复过程载

34、流子的分布 要减小反向恢复时间，就要减小正向时的储存电荷和提高反向时对储存电 荷的扫出速度、减小正向时的储存电荷势必增加正向电阻，所以主要是提高储 存电荷消失的速度来缩短关断时间。其途径主要有两个方面：一是降低少子寿 命，加速载流子的复合；一是加大反向电流的抽取作用。 2.2.2 肖特基结构软恢复快速二极管 典型的肖特基整流管的结构，如图 222 所示。n 层基片外延 n层， n层上淀积 sio2/sin 钝化 阳极阻挡 层金属 n-外延层 n 基片 n+阴极层 阴极（接触）金属 硅片 图 23 肖特基整流管的结构示意图 一层金属。 通常的肖特是整流管，其 n外延层的掺杂剂是砷，阻挡层金属是相

35、。 通过调整结构参数，能够获得台适的肖特基势垒高度。n 层的作用是减小 通态的体电阻，其掺杂浓度比 n层的高。n层是为形成良好的欧姆接触 而设置的。图 222 中，在阻挡层的边缘，sio2绝缘层和金属层重叠着， 以消除边部电场集中，提高反向耐压。它具有以下电参数的特色： (1) 反问快复时间短 有人曾做过对比，在相同的电路情况下，结型整 流管的反向恢复时间大约是肖特基整流管的 150 倍。例如，肖特基整流管 的反向恢复时间大约是 75ns，而快速整流管的反向恢复时间却有 125s 之 多。由此可见，在必须提高开关速度的整流电路中，肖特基整流管是最理 想的。 结型整流管反向恢复时间长的原因，主要

36、是消除正偏时注入的储存电 荷花费时间。而肖特基整流管则不存在储存电荷。 (2) 功率损耗小 150 100 50 5 15 25 0 20 40 60 80 100 (ma) 电流 （a） 0.5 1 1.5 电压（v） 图 2-4 肖特基 i-v 特性曲线 从上图可以看出：它的正向特性与快速整流管的相比，有开启电压低， 正向压降小的特点图中显示出相应于 100a 左右的正向压降只有 0.65v。 比同等级别的快速硅整流管的低 0.3v 左右。因此，它的正向损耗小。开关 损耗小，开关损耗是整流管从一个静态转变到另一个静态时所产生的损耗。 显然，反向恢复时间越短，开关损耗越小。 反向恢复时间受

37、di/dt 及 dv/dt 影响小，因为在高速整流器中整流管必须 很快地导通和阻断，所以整流管必须具有一 定的承受 di/dt 及 dv/dt 的能力。 对于快速整流管，储存电荷随 di/dt 增大而增大，反向恢复期出现的电荷量 受 di/dt 影响可增大 10 倍左右。在相同的电路情况下，肖特基整流管因不存 在储存电荷问题，反向恢复时间受 di/dt 及 dv/dt 的影响是很小的。 综上所述，如果应用领域不要求有较宽的工作电压范围，而要求快速、 高效率，则肖特基整流管是理想的整流器件。 2.2.3 mps 结构软恢复快速二极管 对功率二极管而言,pin 具有很好的反向特性,而 sbd 具有

38、较好的正向特性。 如果有一种器件能够同时具备 pin 和 sbd 的优点,即既有 sbd 的小开启电压、 大导通电流、快开关速度,又具有 pin 的低漏电流、高阻断电压,这将是最好的 选择。为了改善高压硅开关管的正向和反向特性,baliga 提出了 mps 结构,其基 本结构示意图如图 2-5 所示。 p+ p+ p+ p+ p+ p+ p+ n n+ ohmic contact schottky contact 图 25 mps 二极管结构示意图 mps 器件是深注入的交叉指状 p+栅格与肖特基结相间隔的网状结构。mps 开关管的主要结是 pin 二极管区,pn 结通过其耗尽层的宽度和两 p

39、n 结之间的 间隙来影响肖特基的导电沟道。当 mps 反偏时,pn 结形成的耗尽区将会向沟道 区扩散,在一定反偏电压下,耗尽区就会连通,从而在沟道区形成一个势垒,使耗 尽层随着反向偏压的增加向 n+衬底方向扩展。这个耗尽区将肖特基界面屏蔽于 高场之外,避免了肖特基势垒降低效应,使反向漏电流大大减小,此时,mps 反向 特性接近 pn 结。当 mps 正偏时,pn 结的耗尽层宽度比两 pn 结之间的距离小 得多,在肖特基区保留了一个 n 型导电沟道,肖特基处于正向导通状态,特性与 sbd 的正向电学特性相似,只是电流密度由于 p 型区的原因而略小。p+阳极区 注入空穴到漂移区,通过导电调制也会引

40、起体电阻的大大减少。另外,采用 mps 结构,可以灵活地选择势垒低的金属作为肖特基接触,而不用担心反向漏电流会 增加。所以,mps 结构综合了 pn 结结构和肖特基结构的优点,具有很好的正向 和反向特性。还可以通过调整肖特基和 pn 结的面积比来调整其性能,例如,当 重点要求好的正向特性时,可以通过增加肖特基的面积比来实现;而当更注重反 向特性时,则可以通过增加 pn 结的面积比来实现。 2.3 mps 快速二极管的工作原理快速二极管的工作原理 图 2-6mps 二极管横截面示意图 上图相当于具有低电阻触点的嵌入式 p 型掺杂岛的肖特基二极管。而它的 基本设计单元为以下简化的几何模型： 图 2

41、-7mps 二极管元胞示意图 1938年肖特基提出了半导体的接触整流理论：（1）势垒高度远大于热电 势；(2)计入耗尽区内电子碰撞的效应；（3）在x=0（金属半导体接触面） 和x=w（耗尽区内边界面）处的载流子浓度不受电流流动的影响（即这些载流子 浓度为平衡值）；（4）半导体的杂质浓度是非简并的。 同时给出载流子浓度 为 (2-1) (2-2) (2-3) baliga在1987年对mps进行了分析, 他认为在正偏的时候, 首先是肖特基 势垒开通, 因而有较低的开通电压, 随着电压升高, 结开通, 向衬底注人远超过 衬底浓度的空穴, 引起衬底的电阻降低, 导致正偏电流的增大, 这无疑有着很大

42、的指导意义 器件中的载流子浓度对器件的工作有很大的影响，mps 中，在 p+区向沟 道区注入的大量少数载流子的影响下，沟道区和肖特基垒区载流子浓度的变化 导致了器件工作方式的变化。在正偏偏置电压作用下, 对于 mps, 其主要特点 是由区向沟道区注人大量空穴在不同的正偏条件下, 其载流子的浓度分布变化 为从加上正偏电压开始, 空穴就从区开始注入，在肖特基未开通时, 在漂移区内 电子的浓度梯度近似为零，在肖特基开通以后, 漂移区和沟道区的少数载流子 浓度梯度不再为零, 这是肖特基开始起作用的结果。随着电压的升高, 当 pn 结 开通以后, 由 p+区向沟道区注入的空穴在数值上超过衬底杂质浓度,

43、此时出现 混合整流的特性同时多数载流子在电场和阴极高低结的作用下产生积累, 在数 量上与空穴几乎相等, 此时电导调制区形成随着电压的进一步升高, 注人的空穴 数量不断增大, 积累的电子浓度也不断增大,电导调制区开始向肖特基势垒区扩 展, 一直扩展到肖特基势垒区在以后, 漂移区的载流子浓度变化缓慢, 而在沟道 区和肖特基势垒区的载流子浓度变化很快, 这就是 mps 与其他器件的最大不同。 所有的 pn 结二极管,在传导正向电流时,都将以少子的形式储存电荷。少子 注入是电导调制的机理,它导致正向压降()的降低,从这个意义上讲,它是有利的。 但是当正在导通的二极管突然加一个反向电压时,由于导通时在

44、pn 结区有大量 少数载流子存贮起来,故到截止时要把这些少数载流子完全抽出或是中和掉是需 要一定时间的,即反向阻断能力的恢复需要经过一段时间,这个过程就是反向恢复 过程,发生这一过程所用的时间定义为反向恢复时间。值得注意的是在未恢复 阻断能力之前,二极管相当于处于短路状态。全部恢复过程如下图所示。 图 2-8 二极管反向恢复特性 对于 mps，反向恢复时,pn 结形成的耗尽区将会向沟道区扩散,在一定反 偏电压下,耗尽区就会连通,从而在沟道区形成一个势垒,使耗尽层随着反向偏压 的增加向 n+衬底方向扩展。这个耗尽区将肖特基界面屏蔽于高场之外,避免了 肖特基势垒降低效应,使反向漏电流大大减小,此时

45、,mps 反向特性接近 pn 结。 因此，mps 具有较小的反向恢复电流和时间。 第三章 mps 二极管的结构设计 3.1 设计思想 由第二章的介绍可知，混合 pin/schottky 二极管（mps） ，它速度快、击 穿电压高、漏电流小、正向压降低，适合功率系统使用。因此 mps 的设计关键 之一就是调整 p+区的浓度以增加其注入效率，可以增大电导调制效应，从而可 以降低 n 区的串联电阻，因此它的正向压降也会降低，功耗也将减少；关键之 二是调整 pn 结 区和肖特基区的长度比，折衷其反向击穿电压和反向电流以满 足设计要求；关键之三是设计 n 区的厚度和掺杂浓度，在满足达到反向击穿电 压的条

46、件下优化 n 区的厚度和掺杂浓度，使其串联电阻达到最小。当设计好上 述参数和结构后，再进行表面造型和保护的设计，以降低表面电荷、覆盖材料、 结附近杂质浓度及分布等的影响。 3.2 mps 二极管的性能参数 以下的各个参数如第 2 章图 2-7 所示. 3.2.1 反向重复电压 当正在导通的二极管突然加上一个反向电压时，由于导通时在 pn 结区有大 量少数载流子存贮起来，因此通过二极管上的电流要变为零时需要一段时间， 而由于电路中的电感的存在，会产生一个感生电压，因此可以预测反向峰值电 压的幅值就为： (3-1) 考虑到设计时需要有一定的余量，所以需要设计的反向重复电压要高一些。 3.2.2 反

47、向漏电流 对于 mps 二极管，它的反向电流主要由两部分组成，一个是来自肖特基势 垒的注入，它与肖特基接触的面积和反向电压有很大的关系，另一个是耗尽层 产生的电流和扩散电流，载流子的寿命和温度对它的影响比较大。 其中肖特基注入电流由下列的表达式描述： (3-2) 第二部分电流为 (3-3) 所以总的反向漏电流为两者和，即： (3-4) 3.2.3 正向导通压降 由于 mps 的漂移区（n 区）的掺杂浓度较低、沟道调制效应不太明显时， 会引起的较大串联电阻，对电流的有限制作用以，除此以外，mps 的正向电流 特性和 sbd 一样，具有势垒和,它的正向压降为: （3-5） 式中： 理查得常数 绝对

48、温度 肖特基势垒高度 单元电流密度 而对于漂移区压降，电流从宽度为 2d 顶部流向宽度为(m+s)的底部,所以漂 移区的串联电阻为: （3-6） 式中电子迁移率 为获得希望的击穿电压所需要的耗尽层宽度 综合通过肖特基势垒和漂移区的压降,正向压降为: （3-7） 3.2.4 反向恢复时间 因为为所有的 pn 结二极管，在传导正向电流时，都将以少子形式储存电荷。 这些电荷在加反向电压时并不能立即被抽取或复合，即到截止时要把这些载流 子完全中和掉或是抽取出是要一段时间的，这段过程就是反向恢复过程，发生 这一过程所用的时间定义为反向恢复时间（） 。 当 p+n 型二极管处于正向时，电荷的运动规律由非平

49、衡空穴决定。当二极 管加上反向电压 e 后的时间内，反向电流： （3-8） 其中：v 为 pn 结电压；为负载电阻。 由结电压 v 极小，因而： （3-9） 在基区有： （3-10） 解上式可得： （3-11） 二极管整个反向恢复时间为所需用的时间，可以得到： （3-12） 可见，的大小取决于二极管本身的基区的少子寿命及二极管的正、反 向电流。 3.2.5 软度恢复因子 软度因子的定义为: （3-13） 由它的定义可知,它其实反应二极管在反向恢复的过程中基区少子复合而 消失的时间长短。所以，软度因子与少子寿命控制方法、基区时间长短和扩散 浓度分布、元件结构及结构参数等有密切关系。在空间电荷区扩

50、展后的剩余基 区内驻留更多的残存电荷，并驻留更长的时间将提高软度因子。 3.2 mps 二极管参数的设计二极管参数的设计 3.3.1 p 区的设计 当 pn 结反偏时，由于是突变结，向 p 区扩展的长度远小于。表面电 场和 pn 结深有关，最大电场出现在冶金结处，所以为了使屏蔽效应充分发挥 作用，应使 pn 结尽可能的深。然而，由于结是一般是由离子注入形成的，要 制作较深的结就必有用较高的注入能量，这会损坏衬底且使 pn 结性能变坏， 导致漏电流增大。减少注入剂量可以最大限度地减少衬底晶格损伤，pn 结区在 器件正向传导下不需要注入载流子，p 区也不需要好的欧姆接触，所以，相对 于 pin 二

51、极管，mps 的 p+区的载流子浓度可以降低。另一方面，为了使 pn 结 的耗尽层主要在 n-区，p+区应有尽可能高的掺杂浓度。而对于注入效率，它随 着掺杂尝试的增加而提高。通过上述考虑，p 区的浓度设计为 。 3.3.2 n 基区的设计 n 区的设计主是要考虑到穿通电压和正向压降，满足击穿电压后应尽量减 少电阻以降低正向压降。当基区厚度一定时，穿通结构的击穿电压在电阻率 不太高的情况下，随电阻率的增加而增加，但并不是单调递增的关系， 当电阻率达到一定程度时，电阻率的增加反而会使击穿电压下降，因此此过程 中存在一个峰值，如下图所示： 图 3-1 穿通结构的击穿电压随电阻率的变化关系 产生上述情

52、况的原因是随着电阻率的增加，电场强度变化更缓慢，n 区高 低结处的场强有所增加，会使击穿电压增加，同时由于整个 i 区的高场强区增 宽，雪崩电离容易发生，又会使发生击穿时的最大场强有所降低，当后一种情 况占主导地位时，就会导致穿通结构的击穿电压下降， 由上面的图我们可以看出，在电阻率附近时，它的特性比 较优异。由： （3-14） 在 n 区内忽略空穴的影响，其中电子迁移率取 1200cm/s(掺杂尝试等的影 响)可得 n 区内的掺杂浓度： 考虑掺杂的精度，取掺杂浓度为. 在室温下,单边突变结的临界电场有如下表达式: （3-15） 可得 = 而对于穿通型的二极管,它的击穿电压可表示为 （3-16

53、） 通过解上述方程其中，可以得到 n 区的长度: 3.3.3 其余纵向参数设计 其余纵向参数主要为 n+区的浓度和长度，以及表面造型以满足达到或接 近理论击穿电压。对于 n+区的浓度，由于它要与金属发生欧姆接触，需要的 是较大的杂质浓度，考虑的主要是杂质扩散的速度与时间，以利于降低成本。 因此本器件设计采用的浓度，22的厚度的 n+区。这个浓度有 利于实现良好的欧姆接触，较短的厚度使扩散的时间短，能降低成本。由于 p- n 结要延伸到表面，实践证明，高压器件的 p-n 结击穿往往不是发生在体内， 而是发生在表面。为了获得稳定的体内雪崩击穿特性，必须降低表面最大电场 强度，使表面击穿电压高于体内

54、雪崩击穿电压。对于大面积的电力器件，通常 采用表面斜角造型的技术以降低表面电场。对于大面积、深结的电力半导体器 件，结的末段常常延伸至表面，通常采用斜角结构以降低表面电场。用平面工 艺制造的 p-n 结，杂质是通过掩模窗口扩散进去的，在边、角之处结的边缘呈 圆柱及球面，因而存在曲率，导致表面电场比体内高。一般可采用保护环、场 板、耗尽层腐蚀及结延伸给予改善。 选择实现肖特基接触的金属中，为了降低其正向压降，应尽量选择势垒低 的金属，并且这种材料的是比较容易获得的，通过各种金属参数的比较，本器 件设计所使用肖特基接触金属为镍（） 。 3.3.4 横向结构设计 mps 横向设计的主要工作是调整 p

55、n 区与肖特基区的面积比（图形的几何 尺寸） ，来折衷器件的反向和正向特性。再通过几何图形的布局来改善器件的开 关特性，以改进恢复特性。 考虑到器件工作时的功耗，本设计采用电流密度为，因此器件的 面积为 2，对于正方形的几何形状，器件的尺寸为。 对于一个原胞（图见 2-7） ， 先取然后通过仿真再调整它们之间的参数。因此， 器件总共含有的元胞数为 几何图形采用品字型。示意图如下： 图 3-2mps 俯视结构示意图 中间的绿格部分为肖特基接触区，其余部分为 pn 节区，它有利于避免肖 特基区被势垒区隔离时不会发生电流集中现象，防止了由于电流过于集中而发 生的击穿。 第 4 章 仿真软件 medi

56、ci 简介 4. 1 medici 的基本功能及特点 medici 是先驱（avant！）公司的一个用来进行器件模拟的软件，它在 器件当中建立了一个电势与载流子分布的二维模型，可以算出任意偏压下的电 学特性。有资料表明，在抗辐照加固、激光、高功率微波等效应研究中该软件 提供了很好的理论模拟手段。medici 通过求解相应的器件方程来分析双极器件 (二极管、三极管) ，也可以用来分析单极器件(mos ，jfet ，mes) ，另外， 还可以用来模拟器件的瞬态特性。它包括以下物理模型：复合、光产生、注入 离化、禁带宽度变化、带间隧道效应、迁移率、寿命等模型。在计算部分电离 时，既包括波尔兹曼分布，

57、又包括费米分布，还考虑到了杂质的不完全电离等 因素。medici 使用非均匀的三角形模拟网格，能够对平面的、非平面的任意拓 扑形状结构的器件进行模拟仿真。既可以由用户制定方法去划分，又可以由 medici进行自动划分。当用户指定某一物理量时(如电势或杂质浓度) ，medici 可以根据该物理量的分布对网格进行细分。这使medici 能够更精确、更灵活地 对复杂器件进行模拟。在对器件进行模拟过程中，首先完成器件结构和杂质分 布设计(利用medici 提供的profile 语句) ，然后通过数值模拟对器件的性能做 出定量的估计。这包括器 件的端特性和器件内部的物理量分布。 4. medici 的工

58、作原理的工作原理 medici 的模拟过程如下图: 图 4-1medici 模拟过程 其中最核心的部分是器件模拟时计算方法的选择，medici 使用了6个偏微 分方程来描述半导体器件的体特性： 泊松方程：描述静电势； 电子和空穴的连续性方程：描述载流子的浓度； 电子和空穴的载流子能量平衡方程：描述载流子的温度； 晶格热方程：描述晶格温度。 由它们所得到的代数方程组是相互耦合、非线性的。 对于给定的器件和工作范围，没有一种求解方法对于所有情况都是最优的 有几种可能性： 1) 在零偏压情况下，仅仅求解泊松方程便足够了； 2) 对于mosfet i2v 特性，仅需求解一种载流子； 3) 在双极器件和

59、mosfet 的击穿仿真中，两种载流子都是需要的； 4) 对于小尺寸器件的热载流子效应仿真(此处电场变化很快) ，应当加入载 流子能量平衡方程； 5) 当器件加热效应很重要时，必须求解晶格热方程。 第五章 mps 二极管的仿真分析 5. 1 反向阻断特性反向阻断特性 5.1.1 反向击穿电压 考虑到器件必须达到 1400v 或以上的反向击穿电压，所以首先进行反向击 穿电压的仿真，仿真程序见附录 1 为使器件结构的网格看起来更美观，故采用 10 个元胞： 图 5-1mps 二极管网格结构 程序 1 的仿真结果如下： 可以看出，当负极电压达到 1350 伏的时候，仿真数据开始发散，即它的击 穿电压

60、不能达到所需的 1400v。原因是肖特基区的影响，不能达到标准的 pin 二极管理论击穿电压。经理论分析可知，n 区的长度太短，因此增加 n 区的长 度。通过不断的调试将程序中的语句 y.junc=82 改为 y.junc=92 后，可得到预期 的击穿电压。其仿真图如下： 图 5-2 mps 反向击穿特性图 依上图可知，当反向电压达到 1400v 时，电流开始急剧上升，因此，上述 n 区的尺寸较好地满足了击穿电压的要求。 5.1.2 反向漏电流 反向漏电流的大小能够很大限度地改变器件的功耗，本设计要求反向漏电 流小于。通过调整 m 与 s 的值可以有效控制它的反向漏电流。仿真如下： (m=2