一种新型低开启电压快恢复二极管技术

  在电子领域中，二极管是最常用的基础电子元器件之一。PN结二极管和肖特基二极管是主要的两类传统整流二极管，其中PN结二极管开启电压较大，但稳定性好，能工作于高电压，是少数载流子器件且漏电流较小，但是由于少子存储效应使得器件关断时间较长，关断损耗较大。
  肖特基二极管不是利用P型半导体与N型半导体接触形成PN结原理制作的，而是利用金属与半导体接触形成的金属半导体结原理制作的，所以正向开启电压较小。由于是多数载流子导电，所以正向电流较大，但反向漏电流也较大。同时肖特基二极管没有少子存储效应，所以关断损耗极小，可以应用于高频情况。
  目前，国内外已经提出了各种性能更好的二极管，如槽栅MOS势垒二极管TMBS,超势垒整流器SBR，结势垒控制整流器JBS，混合PIN/Schottky整流器MPS，发射极短路二极管ESD等器件。
  本文提出了一种新型的低开启电压快恢复二极管，如图1所示，由于金半接触以及PN结都存在耗尽区，导致该器件在不加任何偏置时，Pdeep之间的沟道是有可能完全被耗尽的。这样，当二极管阳极相对于阴极加上正偏电压时，P埋沟之间的耗尽区缩小为多子电子提供了一个通道，如图2所示。在阳极主要通过欧姆接触流过电流，同时阳极中间的肖特基接触区也会流过一部分电流。而当二极管阴极相对阳极加上正偏电压时，P埋层和N-漂移区形成的耗尽区向N-漂移区扩展进行耐压，二极管泄漏电流只比PN结二极管大两个量级。
  本文首先分析了这种新型的低开启电压快恢复二极管的工作原理，推导出了正向开启电压VF的表达式；然后采用仿真软件对器件进行了仿真分析，将该器件与常规PN结二极管进行了对比，并给出了实验结果。
 
  1. 器件结构及工作原理
  低开启电压快恢复二极管的结构如图1所示，二极管的阳极将N-漂移区、漏极N+、体区引出极P+连接在一起所构成；阴极连接N-漂移区。Pdeep与N-epi是PN结。在阳极中间区域，金属和半导体的接触为肖特基接触，在阳极两边的区域，金属与N+区域和P+区域形成欧姆接触。由于Pdeep浓度远远大于N-epi的浓度，所以这两者组成的PN结的耗尽区将会向N-epi区展开，定义埋沟处的pdeep/N-epi结耗尽区的宽度为WDN,Pdeep之间的间距为WJFET。当WnJFET>2WDN时，埋沟中N-epi没有全部被耗尽，两个耗尽层之间存在一个中性区通道让电流流过，电流的路径为从表面的N+区域流入横向的N-epi区域，然后从Pdecp之间的通道流出，最后到达阴极；当阳极电压增大到一定程度时，电流可以直接从肖特基接触区流出，从而增大器件的电流密度；进一步增大阳极电压，电流还可以从Pdeep与N-epi之间的PN结流出，进一步增大电流密度，然而这会导致器件的开关特性变坏，影响器件在高频领域的应用，因而通常该二极管只工作在单极性的情况下。当WJFET≤2WDN时，埋沟是完全被耗尽的，则器件关断。也就是说，WJFET的大小决定了器件是否开启。

  当阳极加正偏电压并逐渐增大时，埋沟中的耗尽区则逐渐减薄，最后使得WJFET=2WDN，二极管开启，此时的阳极电压即为二极管的阈值电压，其表达式为：   其中Nepi为外延层浓度，Npdeep为体区pdeep的浓度，ni是本征载流子浓度，εs为硅的介电常数。
 
  2. 仿真分析
  使用二维仿真软件tsuprem4和Medici对低开启电压快恢复二极管进行了仿真及优化设计，优化后各参数为W1=0.5um,W2= 1.15um,Wepi=7um,L1 =0. 3um, L2=0. 8W， L=2um, N_pdeep=3.0×10¹⁷cm^-3，N_epi=3.4×10¹⁵cm^-3如图3所示。
  图4(a)为反向击穿时，低开启电压快恢复二极管的电流流向及耗尽线分布，从图中可知，击穿发生在Pdeep/N-epi结处。图4(b)为正向导通时，二极管的电流流向，由图可知，载流子经Pdeep之间的埋沟处流过，寄生PN结并未开启，验证了上述理论分析。   图5(a)、(b)、(c)分别为低开启电压快恢复二极管与常规PN结二极管(其N型掺杂与厚度与低开启电压快恢复二极管的N-外延层相同，P型掺杂和厚度与低开启电压快恢复二极管的Pdeep相同，耐压为110V)的阻断特性、正向导通特性及反向恢复特性的比较。
  由图5(a)可知，低开启电压快恢复二极管和PN结二极管的击穿电压为110V。在反向电压为100V时，低开启电压快恢复二极管和PN结二极管的泄漏电流分别为1.0×10^-18A/um和1.0×10^-12A/um，低开启电压快恢复二极管的泄漏电流只比PN结二极管大了两个量级。由图5(b)可知低开启电压快恢复二极管和PN结二极管的导通压降分别为0.15V和0.7V，正向导通功耗相对PN结二极管减小了78%。由图5(c)可知，低开启电压快恢复二极管的反向恢复时间(8ns)比常规PN结二极管(28ns)小72%，反向峰值电流(0.8A)比常规PN结二极管(1.1A)小28%。此仿真结果进一步验证了上述的理论所分析的导通和关断原理。
  对于PN结二极管，由于泄漏电流非常小，所以在低压工作时，功耗主要为正向导通功耗和开关功耗。虽然低开启电压快恢复二极管泄漏电流相对PN结二极管大了两个量级，但其反向阻断功耗仍然只占整个器件功耗的很小一部分。在这种情况下，低开启电压快恢复二极管对正向导通压降和开关时间进行了显著的优化，使得低开启电压快恢复二极管非常适合应用于低压高频领域。
 
  3. 结论
  本文提出了一种新型低开启电压快恢复二极管理论分析了新型二极管的原理，推导出了正向开启电压VF的表达式对新型二极管的反向击穿特性、反向恢复特性、正向导通特性进行了模拟仿真和分析。仿真结果表明在相同耐压110V下，新型二极管的正向压降(0.15V)比常规PN结二极管(0.7V)小78%，反向恢复时间(8ns)比常规PN结二极管(28ns)小72%，反向峰值电流(0.8A)比常规PN结二极管(1.1A)小28%。



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