功率二极管的反向击穿特性及正向导通特性

  1. 反向击穿特性
  当功率二极管两端加上反向电压时，pn结反偏，功率二极管处于截止状态。当反向电压较高时，pn结的空间电荷区向两侧展宽，由于p+n扩散结可看作是突变结，于是空间电荷区主要向轻掺杂一侧展宽，所以击穿电压UBR主要由轻掺杂侧的掺杂浓度决定。
  (1)截止状态下的电场强度分布
  图1比较了两种功率二极管的掺杂浓度分布及在截止状态下的电场强度分布。可见，p+pnn+二极管的n区通常为原始衬底，其掺杂浓度通常为，p+阳极区和n++阴极区是通过扩散形成的，表面掺杂浓度为。而p+nn+二极管的n+阴极区通常为衬底材抹掺杂浓度约为，n层为外延层，掺杂浓度为，p+阳极区是通过扩散形成的，表面掺杂浓度也很高，在 以上。相比较而言，p+pnn+结构的n区掺杂浓度稍高，且厚度Wn较厚。

 
  在截止状态下，如果p+pnn+结构的n区厚度Wn大于p+n结在n区空间电荷区的宽度WD，则其电场强度分布为三角形分布，如图1a所示，该结构称为非穿通(NPT)型结构。如果p+nn+结构中n区厚度Wn较薄，反向电压较高时，p+n结的空间电荷区在n区扩展会穿通进入n+区，该结构称为穿通(PT)型结构，其电场强度分布为梯形，如图1b所示。

  (2)反向击穿电压
  功率二极管的反向击穿电压通常为电场沿耗尽层的积分。对p+pnn+二极管，反向击穿电压UBD为三角形的面积，如图1a中阴影所示。   从式(2-3)可见，要提高p+pnn+二极管的击穿电压，就要降低n区的掺杂浓度ND(即选择高电阻率的衬底材料)，同时n区要厚，才能为反偏pn结提供较宽的空间电荷区，但同时又会导致功率二极管的正向压降增加。因此，在保证击穿电压的情况下，必须严格地控制n区的厚度，并确保n区有较高的载流子寿命，以获得低的正向压降。
  对p+nn+二极管，反向击穿电压UBD为梯形电场的面积，如图1b中的阴影所示，可用下式表示： 式中，Wn为n区的厚度；其他参数与上述含义相同。
  从式(2-5)可见，要提高p+nn+二极管的反向击穿电压，也必须降低n区的掺杂浓度ND，同时n区要厚。相比较而言，在相同的击穿电压下，采用PT型结构所需的n区厚度要比NPT型结构的薄，有利于降低正向压降。

  (3)反向漏电流
  在截止状态下，pn结的反向漏电流主要包括以下三个部分：空间电荷区外的扩散电流lD、表面漏电流ls和空间电荷区的产生电流IG，高温下，漏电流和扩散电流要远小于空间电荷区的产生电流，故空间电荷区的产生电流IG成为漏电流的主要组成部分。lG可由空间电荷区产生率的积分得到，即
式中，A为pn结的面积；ni为本征载流子浓度；WD为空间电荷区的宽度；TSC为空间电荷区载流子的产生寿命。
  由式(2-6)可知，如果器件的结构参数一定，则漏电流与本征载流子浓度ni和空间电荷区电荷产生寿命Tsc有关。随温度升高，由于本征载流子浓度ni按指数上升，少子寿命按二次方关系上升，所以产生电流IG随温度升高会急剧增大，使器件的高温漏电流远大于常温漏电流。
 
  2. 正向导通特性
  (1)正向导通过程
  P+pnn+功率二极管在正向偏置时，由于p+阳极区和n+阴极区掺杂浓度远比中间的p区和n区掺杂浓度高，于是p+阳极区向p区注入空穴，n+阴极区向n区注入电子。当注入区的非平衡载流子浓度高出本底掺杂浓度许多倍(Δp=Δn》ND)时，会改变p区和n区的电导率。在低电流密度下，p+pnn+功率二极管类似于一个简单的pn结，在较高电流密度下，p+pnn+二极管则与pin二极管完全一致。对于功率器件而言，在稳定的工作条件下，电流密度可以达到，甚至更高。所以，对耐压较高的器件来说，在如此高的正向电流密度下，完全工作在大注入状态，此时注入的非平衡少子浓度很高，n区会发生电导调制效应。
  (2)正向导通期间载流子浓度分布与电位分布图2所示为大注入状态时载流子的浓度分布和电位分布。可见，不论是p+nn+结构，还是P+pnn+结构，由于非平衡载流子的注入，都会导致功率二极管的通态载流子分布近似为U形分布。在此统一用pin来说明其电流的形成过程。在p+i结处，电流几乎由从p +区注入到i区的空穴承担，只有很少的电子从i区注入到p+区。在n+i结处，情况正好相反，电流几乎由从n+区注入到i区的电子承担，只有很少的空穴从i区注入到n+区。并且，从p+区注入到i区的空穴电流与从i区注入到n+区的空穴电流两者之差为i区内复合的空穴电流。对电子电流也有相似的情况。  
  (3)正向压降如图2所示，功率二极管的正向压降UF由三部分组成: 式中，UP和UN分别表示p+i结和n+i结上的压降;U1表示i区压降。三者均与电流密度有关。
  结压降UP和UN可用下式表示: 式中，K0为取决于温度和二极管掺杂浓度分布的常数;a为参数，随电流密度而变化；kT/q为常数(常温下为0.0258V)；J为电流密度。
  对功率二极管而言，高阻i区一般比较宽，其压降U1较大。可用下式来简化： 式中，Wn为n区的厚度；Da为大注入下的双极扩散系数；TH为大注入下的载流子寿命，由Tn0和Tp0之和来决定。
 
  实际上，U1随电流密度的变化关系很复杂，因为U1与注入的载流子浓度有关，而载流子浓度本身又与J有关。可用下式来表示：   由上式可知，uF取决于电流密度J、大注入下的载流子寿命TH，以及n区的厚度Wn。为了降低功率二极管的正向压降，不仅要增加少子寿命、减小n区的厚度，同时还需限制器件的电流密度。考虑到浪涌电流的限制，当电流密度J增加时，UF就会急剧增加。正向电流-电压可表示为 式中，K0，K1，K2为取决于温度和二极管结构的特征参数；m为常数，其值在0.6～0.8之间。
  在实际使用中，为了估算功率二极管的正向压降，产品数据单中通常会给出门限电压UTO和导通特性曲线的斜率电阻rT，于是可利用下式计算出正向电流为IF时对应的正向压降:   根据图3a所示的功率二极管I-U特性曲线可知，门限电压UTO由3πIF(AV)/2与πIF(AV)/2电流所确定的直线与横轴交点的电压来确定，该直线的斜率即为导通电阻rT的倒数。图3b所示为功率二极管在常温(25℃)和高温(150℃)下的I-U特性曲线。可见，高温下功率二极管的门限电压会减小，并且两条曲线相交，该交点通常被称为零温度系数(ZTC)点。在交点之下，UF随温度的增加而减小，即UF具有负的温度系数，容易引起热集中；在交点之上，UF随温度的增加而增加，即UF具有正的温度系数，有利于均温均流。故可根据高、低温导通特性曲线上ZTC点的高低来判别器件的特性优劣。该交点越低，表示器件的高温特性越好。


上一篇：普通功率二极管结构_特性参数_工作原理
下一篇：功率肖特基二极管结构类型与制作工艺