（微电子学与固体电子学专业论文）静电感应晶闸管（sith）转折机制的数值模拟分析.pdf

兰州大学研究生学位论文 摘要 静电感应晶闸管( s i t h ) 是一种大功率开关器件。与其他种类的功率开关 器件相比，具有开关速度快，易于实现栅控关断等优点。但在实际应用中发 现它在关断过程中栅电流过大，导致器件严重发热烧毁。因此，如何在得到 足够高的阻断电压( 或阻断增益) 的同时能有效减小关断损耗，成为目前急 待研究的一个重要理论问题。 本论文针对s i t h 的转折特性开展专门研究。研究中采用了数值模拟的 方法，从器件内部的电势、电场以及载流子浓度的变化角度，阐述了阻断态 电流增长的规律、转折发生的原因、以及导通态压降和电流的变化特点。所 得与实验观察结果的规律完全一致。 研究结果表明，s i t h 的转折特性源于势垒的持续降低和阳极p - n 结偏压 的持续升高，形成漂移区的大注入，以至于栅区附近的空间电荷区中的空穴 浓度远高于电离施主浓度，使得空间电荷区收缩，空间电荷区不再能承受高 压，最终发生转折。论文总结得到的s i t h 模型一即“s i t 控制的二极管”模 型一对分析该器件的工作机制显示了良好的作用。 兰州大学研究生学位论文 s t a t i ci n d u c t i o nt h y r i s t o ri sak i n do fh i g hp o w e rs w i t c hd e v i c e c o m p a r e d w i t ho t h e rp o w e rd e v i c e ，i th a sm a n ym e r i t s ，s u c ha sh i g hs w i t c hs p e e d ， c o n v e n i e n tt ot u m - o f f b yc o n t r o lo fg a t eb i a s h o w e v e r i np r a c t i c e ，i nt h et r a n s i e n t o ft u r n o f ft h es u p e rl a r g ec u r r e n tw i l ld a m a g et h ed e v i c e t h e r e f o r e ，i ti sa n i m p o r t a n tt h e o r e t i c a lf o c u st h a th o wt oo b t a i nt h ee n o u g hh i g hb l o c kv o l t a g eo r b l o c kg a i nm e a n w h i l er e s o l v e st h ew a s t a g ee f f i c i e n t l yi nt u r n - o f ft r a n s i e n t t h et h e s i ss t u d i e dt h eb r e a k o v e rp h e n o m e n o ni nt h ei - vc h a r a c t e r i s t i c so f s i t h w eu s e dt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，c o n s i d e r e dt h ev a r i a t i o no fp o t e n t i a l ， e l e c t r i cf i e l da n dc a r r i e rc o n c e n t r a t i o ni ns i t h ，r e s e a r c h e da n de x p a t i a t e dt h er u l e o fi n c r e a s i n gc u r r e n ti nb l o c k - s t a t e ，t h em e c h a n i s mo fb r e a k o v e rp h e n o m e n o na n d t h eo n s t a t ev o l t a g ed r o p t h ef e a t u r eo fc u r r e n tv a r i a t i o ni sa l s or e s e a r c h e di nt h i s t h e s i s t h es t u d yc o n c l u s i o na c c o r d e dw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h e s t u d yr e s u l t s s h o w st h a tt h eb r e a k o v e r p h e n o m e n o n i nt h ei - v c h a r a c t e r i s t i c so fs i t hi sd u et ot h ec o n t i n u a ld e c r e a s i n go fp o t e n t i a la n dt h e c o n t i n u a li n c r e a s i n go fa n o d ep - nj u n c t i o nb i a s ，a c c o r d i n g l yt h eh i g hi n j e c t i o n f o r m e di nt h ed r i f t i n g r e g i o n ，w h i c hl e a d st ot h eh o l ec o n c e n t r a t i o no fs p a c e c h a r g er e g i o nn e a rt h eg a t em u c hh i g h e rt h a nt h ei o n i z e da c c e p t o rc o n c e n t r a t i o n ， a n dt h es p a c ec h a r g er e g i o nr e d u c e da n dc a nn o ts t a n dh i g h e r v o l t a g e 原刨性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立进行研 究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等， 均已踱i 瞻注明出处除文中已经注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：i 存辉 芬7j 日期2 口口。 箩场 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属兰州 大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定，同意学校保 存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被查阅和 借阅；本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用任何复制手段保存和汇编本学位论文。本人离校后发 表、使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位 仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名： 兰州大学研究生学位论文 第一章前言 在信息时代发挥着重要作用的电力电子技术是以电力为对象的电子技术，其主要任务 是对电能进行控制和变换。它是在非常广泛的领域内支持多项高新技术发展的基础技术之 一，是信息产业和传统产业之间的重要接口，是弱电与被控强电之间的桥梁。目前电子电 力技术已逐步发展成为- f - j 多学科互相渗透的综合性技术学科。电子电力技术的最新发展 为大幅度节约电能、降低材料消耗以及提高生产效率提供了重要手段，为机电融合的一体 化开辟了新的道路，并对现代生活和生产具有深远的影响。 电力电子技术与微电子技术相结合，一方面使电力电子器件发展到“功率集成”的层 次，同时使微电子技术和计算机应用更有效，更广泛地渗入到传统产业，实现传统设备的 更新换代和对传统产业的技术改造。以电子电力为基础，成功开发的各种新型半导体器件， 极大地推动了以功率变频领域为主的电子电力技术的发展，因而促进了整个高新技术的形 成和飞速发展。 在种类繁多的电力半导体器件领域中，静电感应器件是新发展起来的独具特色的大 类电力半导体器件，它集高压、大电流、高频于一身并具有一系列优异的性能，如功耗低， 属于全控开关器件，又是唯一具有类真空三极管特性的半导体器件等，因此具有广阔的应 用前景和发展前途。 静电感应器件侣t a t i ci n d u c t i o nd e v i c e ，简称s i d ) 构成了一类依靠静电感应机制实现 开通和关断的器件家族，拥有庞大的体系，包括各种类型的静电感应晶体管( s t a t i c i n d u c t i o nt r a n s i s t o r ，简称s i t ，如微波s i t 、超高频s i t 、音频s i t 、电力s r o ，双极模 式静电感应晶体管( b i p o l a r - m o d es t a t i ci n d u c t i o nt r a n s i s t o r ，简称b s r r ) ，静电感应晶闸管 ( s t a t i ci n d u c t i o nt h y f i s t o r ，简称s r r h ) ，静电感应逻辑电路s i t l ，静电感应图像传感器以 及静电感应集成电路s i c i c 等。 静电感应晶闸管s i t h 作为一种重要的静电感应器件，它是以半导体器件物理学、集 成电子学、固体物理学、半导体物理学、电力学、电力电子学、半导体材料为基础的一种 新型电力电子器件。它的优点是额定控制功率大，工作频率高，控制增益大，正向压降小， 开关损耗低，d i d t 和d v d t 耐量大等优良的动态性能，自问世以来经不断地研制和完善， 越来越受到普遍的重视，在广泛的领域得到了应用： l 、高压直流输电系统用的自换向变流器。 兰州大学研究生学位论文 2 、感应加热装置用的高频并联谐振电流型逆变器。 3 、3 0 5 0 0 k h z ，2 0 0 5 0 0 k w 的感应加热和感应熔炼电源用的移相p y 8 1 式高频逆 变器。 4 、多种谐振频率感应加热系统用的高频电压逆变器。 5 、铜蒸发激光器用的全固态功率驱动器。 除此之外，s i t h 的应用还将扩大到家用电器，交通运输，无线电通讯，电视以及其 他工业应用领域。因此，对s i t h 进行研究，具有深远的影响，对我国国民经济发展有重 要的战略意义。 本文以表面栅s i t h 作为研究模拟的对象。首先介绍了静电感应器件的种类和各自的 结构特点，相关概念和基本特性。然后介绍器件模拟的基本理论，相关因素和模拟过程。 使用器件模拟软件s g f r a m e w o r k 模拟s i t h 的负阻转折过程，通过观察器件内的p 、n 分布， i - v 特性等模拟结果，解释负阻转折机制，并且和试验结果进行比较。 2 兰州大学研究生学位论文 第二章s i t h 器件物理 2 1 引言 静态晶闸管s i t h ( s t a t i ci n d u c t i o nt h y r i s t o r ) 又称场控晶闸管f c t ( f i e l dc o n t r o l l e d t h y r i s t o r ) 是静电感应器件中的一种电力器件，它与其它电力器件相比突出优点主要有： 栅极可强迫关断、高耐压、大电流、低压降、低功耗、高速度、优良的动态性能以及强的 抗烧性等优越性能。 随着对s i t h 应用的发展，逐渐显现出对它工作机制完整深入的理论分析还是相对落 后。本章主要以表面栅结构的s i t h 为例来说明s 1 t h 的工作机理。 2 2 卜- v 特性及物理机制 电流控制型的普通晶闸管( s c r ) 只能通过在阳极( a ) 一阴极( k ) 间加反偏压才 能关断，不具备门级关断性能。g t o 虽然有门级关断性能，但往往因为各并联单元关断 得不均匀性局部区域有高密度电流集中使器件烧毁。s i t h 则是利用反向偏压所造成的沟 道势垒( 以及反向偏压的抽取作用) ，使器件被强迫关断。正偏压使器件开通，可通过大 电流。所以s i t h 的开关作用，关键在于对势垒的调变和控制。 1 结构 表面栅s i t h 的结构如图2 1 图2 1 3 兰州大学研究生学位论文 可以看出s i t h 的横向结构是在p 十_ 品订二极管的s 。两侧加入了p + 栅区a 纵向s i t h 的栅一阳极还构成了s i t 和b i t 的复合结构。正向阻断时阳极就是，1 l p 管的发射极， 由此可见s i t h 的最高工作电压受基极开路矿1 l p 管击穿电压限制。正是由于这个管子 的发射节的注入使得正向阻断小电流特性与s i t 不同，有了上升区段。随着注入的增加出 现负阻转折。 2 i - v 特性 s i t h 的主要工作状态有：l 、正向导通状态2 、正向阻断态3 、反向阻断态。当阳 极接正电压且v a k 0 ，器件将进入大电流、低压降的正向导通状态；此时若v a t 0 5 v ) 时，s 1 t h 进入正向导通状态。因 为p + 区的存在，减小了阴极有效面积，使s i t h 恰似面积有限的p 品力整流器，其j 矿特性和p + 干以结构的，_ y 特性相同，因此，对器件正向导通态的分析，可沿用p + 卜1 l 整流器的分析结果。 4 兰州大学研究生学位论文 正向导通时，s i t h 的沟道区和轻掺杂的漂移区( i 区或s 。区) 充满了因高电平注入 形成的电子一空穴等离子体，其物理过程属于高电平下空间电荷效应与复合效应共同限制 的双注入问题。与之相伴的一系列物理效应的发生，导致s i t h 在导通状态下，允许高密 度、大电流通过，并给出很低的通态压降。 导通时，阳极电流由下式决定： l 一= h d 。j o ；, w , d j o ( 2 1 ) 7 其中，c 为沟道总数，w f 为沟道宽度，d c 为沟道厚度，l 为电流密度，它与阳极电压 玖的平方成正比。 器件导通时的端电压即通态压降很小，主要由三部分构成：1 、各p 巩结的结压降 v d z o d e ：2 、各区( 漂移区和沟道区) 的体压降( 欧姆压降) v b a s z ；3 、与电极和封装有 关的金属一半导体、金属金属界面的接触压降v c o r r 。 即： p 0 ； k + p 盖。口+ ( 2 2 ) 其中前两项是主要的。一般地，当电流密度在1 0 0 a c m 2 ，通态压降在o 9 5 1 i v 。 2 正向阻断 s i t h 的主要用途是开关应用，其正向阻断就是通过负栅压强迫关断，在p n - p - n ) 结构 的晶闸管( s c r ) 中为了关断主阳极电流，通常要将阳极和阴极之间电压反向。在交流电路 的相控整理、交一交变频及一些有源逆变中，s c r 之所以能够起到很好的作用，是由于 交流电源进入负半周时晶闸管承受反向电压而自行关断。而在直流电路的逆变、折波、开 关电路中因为阳极、阴极不反向，所以它的门级不能控制关断。而s i t h 则可以通过栅极 关断，其关断应用是通过旅加负栅压实现强迫关断。由图2 2 ( b ) 我们可以看出，s i t h 阻断态小电流范围的卜_ v 特性与s c r 的完全不同。s c r 的卜_ v 特性为饱和的类五极管 特性，而s i t h 则表现为类三极管的不饱和特性，这反映了s i t h 受沟道势垒控制的物理 机制。 具体说来，在器件关断的过程中，s i t h 沟道中、沿沟道中心线存在着方向相反 的两种电场e f 和e r ，如图2 3 0 ) 所示。 5 兰州大学研究生学位论文 g k g 一 “ 二 + 一日 、一 = p + p + 二 n 严 一 气二 二 一氐矽 tt+tt十t+t+ + p + e r i j i l e f 上 = v j瑶) v j a ( a ) s i t h 体内的电力线分布示意图 ( b ) s i t h 沟道中相反方向的电场 2 3s i t h 沟道势垒形成示意图 阳极电压降形成由a 指向k 的正向电场e f ：阴极高低结，l + m 的自建电场和栅一沟 p 矾结自建电场的纵向分量，以及栅极负偏压产生的电场的纵向分量形成了反向电场尿。 沟道中的反向电场的作用是阻止阴极电子向沟道注入的，随着负栅压v o k 的增加，沟道中 的反向电场增强，其作用是使沟道电势更负。 虼形成的正向纵电场的作用刚好相反，它对反电场有抵消的作用。正是此两相反电 场的迭加，使沟道中心线某处电场为0 ，电势极小。该点称为“鞍点”( s a d d l ep o i n t ) ，v 4 增大时鞍点向阴极端移动，当栅压增大沟道中反向电场碌增强，势垒升高。励和岛 这一对电压就是形成静电感应器件特殊的势垒控制机制的原因。 其实仅靠高低结和栅沟p n 结的自建电场是不足以形成可控制电流的势垒高度，大 的负栅压才是使沟道充分夹断并建立起足够高度沟道势垒，从而实现对s 1 t h 正向强迫关 断的基本条件。当势垒阻止了阴极电子注入后，阳极向沟道注入空穴也不可能，这样阳极 电流就被截断。 3 负阻转折 当栅压v o k 和n 为定值时，沟道中鞍点位置和势垒高度都是一定的。若固定k x ， 逐渐增大坛，那么鞍点就会逐渐向阴极移动，同时势垒高度逐渐降低。当势垒降低到一 6 兰州大学研究生学位论文 定程度、同时鞍点也很接近阴极时，注入到沟道的电子浓度就会增加，可动载流子对电势 的贡献不可忽略，它使沟道势垒进一步降低。另外，随着阳极电压的升高，沟道势垒趋于 消失的时，载流子渡越漂移区( 长基区) 的时间也减少，当阳极电压升高到使载流子渡越 漂移区的时间和少子空穴的寿命相当时，就建属于双注入情况。双注入刚开始时，电子寿 命远大于空穴寿命，这时渡越到阴极区的空穴很少，电流是空间电荷限制的电子电流。随 着阳极电压进一步升高和漂移电场的进一步增强，空穴渡越时间不断缩短，在某一临界电 压下，空穴将实现从阳极到阴极的完全渡越，于是在沟道区和轻掺杂漂移区形成电子空 穴等离子体。与之相伴的的一系列物理效应，如空间电荷效应、电中和效应、限制电流的 复合效应、载流子寿命变化( 空穴寿命增加，电子寿命减小) 、载流子间散射引起的迁移 率减小、端区复合的增加、能带窄化效应，特别是轻掺杂区强烈的电导调制效应等等，所 有这些效应的综合，最终导致了s i t h 的卜中特性中的负阻转折发生，直至器件最后开 通。 2 4 器件电势分析 s i t h 的关断态的实现是由沟道势垒的形成及其随偏压的变化决定的，所以，对s i t h 器件研究的核心问题就是队沟道势垒的分析。 图2 4 表面栅s i t h 结构示意图 器件结构如图2 4 所示，它可分为两部分：1 、本征区或沟道区( t r x l 。，1 口) ；2 、 长基区或漂移区( f c ( x l + w n ，1 t g y n + 如) 。为了便于分析，假设栅体和阴极区均匀 掺杂且栅体为长方体。 定义器件沟道夹断电势为： 7 兰州大学研究生学位论文 匕一办一九 ( 2 3 ) 其中： 办。譬_ ，； ( 2 4 ) z 吒= i k t h ( 等) 弦s ， 目i刀f7 这里， 瞄、 ，j 分别为沟道和栅体掺杂浓度，s 为硅的介电常数，m 为本征载流子浓 度，k 为玻耳兹曼常数，r 为温度，口为基本电荷电量。 当栅极所加反偏压大于聆时，栅一沟结耗尽层连在一起，沟道中形成势垒。势垒高 度随外偏压的变化，可通过求解二维泊松方程得到。利用耗尽层近似，可得泊松方程为： 掣+ _ a 2 0 ( x , y ) 一q n o ( 2 6 ) a a v 6 注意：耗尽层近似仅适用于小电流指数范围，当电流密度很高时，沟道中可动电荷对 电流的影响必须考虑。我们这里重点讨论的是阻断态，所以耗尽层近似是适用的。 设三删为栅一漂移区p 霄结的耗尽层宽度，利用单边突变结一维近似可得： 如；曲b 托f 万丽，嵋) ( 2 7 ) 对于我们讨论的问题，边界条件为： 掣：o l c + 如 d 、， 中o ，口) ；厂( x ) 0 x + 五“ 中心+ ，_ ) ，) 一0 y a 撕) 一心吨啊 o y a 其中： 荆丹心卜m 啦( 孚) 2 ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 这里，“为阶梯函数，当x 1 0 3 v ，c m ) 时，迁移率随电场的增大而减小；这是载流子在强电场 中运动时速度趋于饱和的根本原因。高场迁移率模型表示为： 肛但，2 1 ) = 1 + 陋o e 圪，f ) 】4 ) 4 其中圹为不考虑电场影响时的迁移率，称为低场迁移率。对于s i ，电子 p - - = 1 3 5 0 、f = 2 。空穴：1 2 0 = 4 8 0 、卢- - 1 。比f 为饱和速度：! 0 3 5 x1 0 1 7 c m s ( 3 1 6 ) 兰州大学研究生学位论文 口) 。丝旦车) ( 3 1 7 ) 1 + n 8 麟p ( 孟 五、各种散射机制对迁移率的综合影响 以上考虑了几种重要的散射机制。在不考虑电场影响的情况下，将晶格散射和杂质散 射综合起来考虑，得到迁移率的统一表达式i ： “p j ；“p 【訾- 0 0 2 5 ( 3 1 8 ) 一，p 。一p 【：一u 【3 ) 1 + ( 志) 1 ” 其中： x = 4 6 gw 卢7( 3 1 9 ) 将杂质散射和载流子间散射综合起来考虑，得到迁移率统一表达式i i ： 。l e r j ；( 与+ 七) 一t ( 3 2 0 ) 3 4 3 载流子扩散系数 对于非简并半导体材料，载流子的迁移率和扩散系数之间存在确定的关系，那就是爱 因斯坦关系 ， r 见= i * k t q ( 3 2 1 ) ld p l t p k t q ( 3 2 2 ) 这就是说，可由载流子的迁移率来确定其扩散系数。从上面迁移率模型看，器件内部 并不是处处一样，所以载流子的扩散系数也不是处处相同的。 3 4 4 载流子产生率和复合率 载流子产生率是单位时间单位体积内产生的电子一空穴对数；复合率是单位时间单位 体积内因复合而消失的电子一空穴对数。熟平衡时，产生率等于复合率：非平衡时，产生 率不等于复合率。在所有非简并情况，对统一种产生复合过程，可以认为产生率都是相同 的。以下给出非平衡态时的复合率与产生率之差，即净复合率。 一、声子参与的产生与复合 这是间接复合过程，s r h ( s h o c l d e y r e a d - h a l l ) 模型表示为 2 0 兰州大学研究生学位论文 r 黜。丽焉 z s ， 量二墨! 墨i = 兰! n 1 = n i p 灯p 1 = n i e 灯 ( 3 2 4 ) 其中凡。和e 分别是本征费米能级和产生一复合中心能级，n i 为本征载流子浓度， n 和p 为非平衡载流子浓度，和百，和分别为电子和空穴的寿命a 二、俄歇复合 在载流子浓度很高的情况下，俄歇( a u g e r ) 复合是很重要的。对功率器件的模拟必须 考虑俄歇复合。模型如下： r 鲫= ( 印一n j 2 ) ( c 。n + c p p ) ( 3 2 s ) 对于s i ，上式参数取值如下表： 三、碰撞电离 从微观机制来看，碰撞电离过程与俄歇过程相似；所不同的是，俄歇复合可以发生在 载流子浓度很高但电流很小的地方，而碰撞电离相反，可以发生在载流子浓度很低但电流 不能忽略的地方。碰撞电离的结果是产生了大量的电子一空穴对，引起载流子数量剧烈增 大。下面给出碰撞电离引起的载流子产生率和电子空穴的电离率： g 。钺必+ 口，蹦 ( 3 2 6 ) qq f m 一m a n , p ”e x p ( - ( 看勤习广“p ) o 删 e 、j 表示电场和电流密度。 四、载流子复合率的统一表达式 对大多数半导体器件的模拟，通常只考虑s r h 复合和俄歇复合，对击穿行为的模拟， 则主要考虑碰撞电离引起的载流予产生过程。一般情况下，通过复合中心的间接复合和俄 歇复合过程是重要的，净复合率可表示为： 兰州大学研究生学位论文 r = r & r h + r 缸咿 ( 3 2 8 ) 其中和也。，分别是通过复合中心的间接复合过程的净复台率和俄歇复合过程的净复合率。 3 5 二维器件模拟 模拟过程中经常用到扩散、漂移模型，下面就论述扩散、漂移模型的二维器件模拟过 程。 3 5 1 器件模拟方程 模拟中求解的数学方程如下： 一v ( 一甲矿) 一q ( p n + c ) 0 0 ( 3 2 9 ) lg 詈- v 。= q ( g 删 ( 3 3 0 ) o ： l p ( 0 ) 2 。丽2 h i 2 厂jlj。、lll 兰州大学研究生学位论文 处。 儿等h 筹 ( 3 4 7 ) ( 3 4 8 ) ( 3 4 9 ) 式中的n 呵是电势参考点( v = 0 ) 处的电子浓度。电势参考点通常选择在某一个姆接触 图3 3 表面栅s i t h 结构网格 麓乒耋： 一引 引一 昌 臣 口 口 州 俐 昌 = 哪 n 厂，、l 兰州大学研究生学位论文 第四章s i t h 的负阻转折特性分析 4 1 引言 本章中利用计算机数值模拟的方法，分析s i t h 的负组转折特性，通过对不同栅压下 电子、空穴分布，- y 特性等进行数值分析，从器件模拟的角度对s i t h 负阻转折的物理 机制进行解释。 图4 1 为本论文模拟的s i t h 单元模型，需要指出的是实际应用中的功率器件s i t h 是由很多这样的单元组成的，用此图作为模拟分析的器件结构，既可以使问题简化又不失 其代表性和真实性。 图4 1 表面栅s i t h 模拟单元示意图 4 2 表面栅s i t h 负阻转折特性的数值分析 4 2 1 模拟单元及参数说明 1 、如图4 1 器件单元各项几何参数为：宽度1 5 u m ，长度2 0 0 u m ，栅节深7 u r n ，源 节深l u m ，漏极区厚度为4 0 l i m 。 2 、器件单元各项掺杂数为：n g = 5 0 e 1 8 c m 3 n s = 1 0 e 1 9 c m - 3n d = 5 0 e 1 3c m 。3 2 7 兰州大学研究生学位论文 n c = 1 0 e 1 9c n l - 3 。 3 、本论文所用坐标方向也在图4 1 中标明。 4 、模拟计算过程中认为：垂直纸面方向各量均匀，不对模拟结果产生影响。掺杂浓 度为高斯分布( 本论文中若不作说明，所有掺杂浓度，载流子浓度坐标都为半对数) 。 4 2 2 平衡态下的数值分析 平衡态下的载流子浓度分布，n p 载流子分布模拟结果如图4 2 图4 2 平衡态时的c 、1 1 、p 分布 兰州大学研究生学位论文 0 1 1 5 0 y ( u m ) 图4 3 平衡态时的dp 分布( x = 7 s u m ) 从图4 24 3 可以看出在平衡态时，由于没有端电压的影响，载流子分布是由掺杂浓 度决定的，满足印；砰。 4 2 3 未发生转折前的物理情况 在未发生负阻转折前，s r r h 就像s i t 一样，其特性主要由沟道势垒控制。由于在此 状态下，沟道内势垒足够高，当栅压和p k 一定时，沟道中鞍点位置和势垒高度都是 一定的q 从阳极注入的空穴几乎达到不可能穿过漂移区到达阴极，而从阴极注入的电子由 于势垒也只有很少一部分能到达阳极，此时二极管虽然正偏，但二极管上的正向压将很小， 不存在大注入的条件。当阳极电压v , , t k 逐渐增大时，主要降落在低掺杂衬底的耗尽层 内，并使耗尽层向阳极扩展，同时沟道势垒降低，s i t 单元的电流增大，该电流使二极管 的正向压降相应增大，空穴开始从阳极向衬底注入，但注入效率是很低的。 4 2 4 器件转折点处的数值分析 本论文所讨论的负阻特性的出现，主要是由于沟道势垒的有效降低和阳极正偏二极 管的注入。正是由于v , 4 x 的增大使得该正偏二极管注入作用增大，所以空穴也能参与导电， 使得耗尽层能够接受到来自外部的电流，从而使负阻转折成为可能。 9 e 7 e 5 4 3 z ，d g b r b i，!d 栌”妒吣小小妒吣”坩心坩坩坩坩心坩 一，e 2 co一苟与cmocoo j a i j j m o 兰州大学研究生学位论文 下面给分别给出在加不同的时，器件在转折点处的空穴浓度、电子浓度分布模拟 结果，以比较在不同栅压下在发生转折时器件内部的物理变化，说明转折时的物理机制。 兰州大学研究生学位论文 图4 4 不同栅压下，转折点处器件内部i l l 、p 浓度分布平面图。 为了更清楚的对比不同栅压下发生转折时，器件横向( x 方向) 的载流子浓度变化和 纵向( y 方向) 的载流子变化，下面分别给出不同栅压下y = 5 u m 处的x 方向载流子浓度 分布，和x = 7 5 u m 处y 方向载流子浓度分布 兰州太学研究生学位论文 x i u m ) n 分布 广一一，厂 i 圈 ，、一 图4 5 不同栅压下发生转折时，器件x 方向的n 、p 分布对比( y = 5 u m ) 由上以上两图可以看出，当栅压越负，栅基区节处载流子分布梯度越大。这是由于 栅压越负，它的横向分量也越大，所以出现梯度差别。 y m l n 分布 yi u m i p 分布 图4 6 不同栅压下转折时，器件y 方向n 、p 分布对比。( ) ( = 7 5 u m ) 对比图4 3 与4 6 可以看出： l 、平衡态时阴极区、阳极区的载流子浓度分布与转折发生时的一样，这说明注入对 这两个区域的载流子浓度没有显著影响。 2 、发生转折时，长基区中空穴与电子的浓度远远大于其平衡态时的浓度。这充分说 明器件在发生转折时已经产生明显的双注入效应，空穴也已参与导电，这时的导电机制是 由两种载流子共同参与的导电机制，长基区中充满了电子一空穴等离子体，电中性条件近 似成立，空间的净电荷几乎为零。 3 、越负，转折发生时器件由阳极指向阴极的空穴浓度分布梯度越大。这是由于 ”p，水水即一蚶廿时咿咿时坩时 rcic8口 ” p 叶 p 巾 ， 严，p旦量；皇l-84 廿 p ” 一 ” 小 r墨5一_gcl8c 兰州大学研究生学位论文 越负器件发生转折所需的越大，那么漏一基区节的空穴注入效率越大，所以存在 梯度差别。 4 丛图中可以看出，电子、空穴浓度分布处处相等，也就是说电子、空穴浓度分布 具有相同的浓度梯度。这是由于漏一基区节向基区注入的少子已不能被忽略，它远远大于 基区的掺杂浓度。为了维持基区的电中性，在基区中建立起了和注入空穴同样浓度梯度的 电子浓度分布，这就是基区电导调制效应。 下面给出器件导通前的- v 特性曲线： n 4 0 o 3 5 0 3 0 0 2 5 毛呲。 0 1 5 0 1 0 0 0 051 01 52 02 58 0 v 0 ( 、，) 图4 7 不同栅压下器件在导通之前的- v 特性 ko ，)0 10 20 30 40 5 ) 1 4 1 3 1 8 2 32 2 5 2 2 6 0 8 3 0 8 7 厶以) 0 1 2 6 0 1 3 1 0 1 4 50 1 5 0 0 1 5 2 r ( q ) 1 1 2 1 41 3 9 1 61 5 5 3 11 9 3 8 72 0 3 0 9 表4 1 转折点处、 厶及瞬态电阻r 之间的关系 从表中可以看出： 1 、v g r 越负，器件发生转折所需要的阳极电压越大。这个结果与第二章的理论分析 相对符：五k 主要是由p r g k 纵向分量提供的，历越高势垒高，鞍点越接近阳极，那么就需 兰州大学研究生学位论文 要更高的v m c 来使势垒降低，把鞍点向阴极方向推，使器件负阻转折的发生成为可能。 2 、发生转折时，v a x 越负v m c 越大，小幅的增加i 吲就需要大幅的提高玖才能发 生转折。这充分体现了器件的栅控作用。 3 、越负厶越大。这是由于在半导体器件中参与导电的载流子多少直接半导体的 电导率的大t j , ( o ；n q g + p 。) 。对比图5 5 与5 6 可知，不同栅压下长基区中的载流子 浓度差别不大，但是v e x 越负越大所以厶越大。 4 2 5 导通点的数值分析 下面给分别给出不同栅压下，器件导通时的空穴浓度、电子浓度分布图，以及器件导 通后的i - v 特性曲线，以比较在不同栅压下在导通后的器件内部物理变化。v g k = 0 1v v u k = 加1vv a g = 4 0 3v 兰州大学研究生学位论文 圈4 8 不同栅压下，器件导通时处器件内部n 、p 浓度分布。 兰州大学研究生学位论文 为了更清楚的对比不同栅压下，器件导通时的载流子浓度分布的不同，下面分别给出 y = 5 u m 处，器件横向( x 方向) ，x = 7 5 u m 处器件纵向( y 方向) 的载流子分布图。 o2e”幢1 4o24ee1 0 x 帅) x i u m i d分布p分布 图4 9 导通后不同栅压下的n 、p 分布( y = 5 u m ) 对比图4 5 与4 9 可以看出： 1 、在导通前后有一共同点：当栅压越负，栅基区节处载流子分布梯度越大。 2 、导通后长基区中n 、p 浓度明显增加。以点( 7 5 u r n ，5 u m ) 为例，n 、p 的浓度 导通前后就有将近3 个数量级的增长，这说明器件导通后的双注入比导通前要大的多。 善，o - l 1 0 1 t 9 。器 “”。 x 1 m ) ” “ x 佃l l i _ “ n 分布 p 分布 图4 1 0 不同栅压下导通后n 、p 分布f y = 7 5 u m ) 对比图4 6 4 1 0 可以看出： 1 、不同栅压下长基区中的载流子浓度分布几乎重合，没有明显的梯度分别，这是由 舭舭”坩w廿坩 一e旦s重e8c8 妒胪”坩廿埘坩 广e 3 uo盖皇。芒8c 曹 o a o 董c昌jc8c 兰州大学研究生学位论文 于导通后不同栅压下的v a u 相差不大( 表5 2 ) 所以漏基区节注入量差别不大，而在转 折点处不同的v o k 所对应的v a k 相差较大，所以载流子浓度梯度差别较明显。 2 、器件导通后，由于电导调制效应，长基区中的np 载流子浓度也是处处相等的。 3 、器件导通后n 、p 载流子浓度虽然还是处处相等，但是在长基区内的浓度比导通前 大的多，这说明导通前后，正偏漏基区节的注入不在一个量级上。 下面给出导通后的i v 特性模拟结果，加以分析。 6 5 0 4 56 7891 0 ( v ) 图4 1 l 导通后的卜r 特性曲线 v e x ( v ) o 1一o 20 _ 3 o 40 5 v a k ( v ) 4 0 34 2 94 5 4 4 7 86 1 8 i a ( o 6 2 4o 9 2 1o 9 4 21 1 2 6 2 6 0 0 r ( q ) 6 4 5 84 6 5 84 8 2 0 4 2 4 52 3 7 6 表4 2 导通点处、k 、五及瞬态电阻厅之间的关系 4 3 2 1 ( v ) 一 兰州大学研究生学位论文 从表中可以看出： 1 、不同栅压下v a t 值之间的差别小。这是由于器件导通后长基区中充满了高浓度的 电子一空穴等离子体，栅压差别所引起的势垒差别消失，那么v a t 值受栅压差别的影响小。 2 、吆继续增加时厶矿曲线趋于重合，说明在导通后v a t 越大栅压的影响越不明显。 4 2 6 器件导通前后厶y 特性对比 2 t o 1 8 1 6 1 4 1 2 戛仙 一0 8 。_ 6 o 4 o 2 o o 51 01 52 02 53 0 ( a ) 图4 1 3 通过数值计算得到的s i t h 的负阻转折y 曲线 v 6 k ( v ) 0 10 20 - 30 4o 5 a v o c ( v ) 1 0 1 01 3 9 41 7 9 82 1 2 9 5 2 4 6 8 5 厶 0 4 9 80 7 9 50 7 9 70 9 7 62 4 4 8 a r ( q ) 1 0 5 6 8 21 3 4 4 7 51 5 0 4 9 31 8 9 6 2 5 2 0 0 7 1 4 表4 3 不同栅压下器件导通前后，阳极电压变化( 0 、漏极电流变化( 对比 从上表可以看出： 1 、器件导通前后v a t 、厶都产生了明显的变化。但相对于的变化厶变化很小。 兰州大学研究生学位论文 这是由于在导通前的很大一部分降落在耗尽区内，导通后原来耗尽区域大部分被电子 一空穴等离子体占据，再不需要大的v a k 来克服势垒。导通后虽然长基区电阻大幅降低， 但是由于玖x 也大幅降低，所以厶变化相对较小。 2 、导通瞬间器件电阻变化非常大，从上百欧姆降到几个欧姆。这充分说明双注入、 电导调制效应使长基区的电导率产生了非常大的变化。长基区的中高密度的等离子体使其 电导率非常高。 4 2 7i - v 特性的实验一模拟结果对比 图4 1 2 示波器上看到的s i t h 的负阻转折i - v 曲线。 对比图4 1 2 与4 1 3 可见试验结果与模拟的曲线趋势相符。 4 3 结论 研究结果表明：将s i t h 的负阻转折归结为器件内部载流子的运动是正确的。现在的 问题是，当阳极区的中性区域的电势降低从而引起空穴从阳极向沟道区注入的过程中，导 通之前业已存在承受了高压的阳极耗尽层是否发生变化? 通过下面的分析，可以说明 s 1 t h 的导通过程必然伴随着耗尽层的收缩乃至消失的过程。 在关态( 或小电流态) ，s i t 和s i t h 具有相同的i - v 特性，都以高压大电流的为特征。 此时s i t h 的阳极p n 结正向偏置，但同时又必须承受高压，应当认为，s i t h 中很高的 电压降与s 1 t 一样都降落在沟道之外的衬底中。如果因某种原因，使得该耗尽层中的电位 降落减小耗尽层的宽度必然收缩，器件两端的端电压v a x 必然减小，这就是说，负阻转折 过程必然伴随着耗尽层的收缩过程。 兰州大学研究生学位论文 引起s i t h 耗尽层收缩的原因是来自耗尽区之外的大量载流子通过耗尽区时，耗尽区 的局部首先变成中性区；中性区进一步扩展，指导整个( 或绝大部分) 耗尽区变为中性区。 小电流时( 阻断态) ，s i t h 就像s i t 一样，主要是受s r r 的控制，沟道内有足够高的势 垒几乎没有电子能越过势垒从阴极区到达阳极区；此时二极管虽然正偏，但二极管上的正 向压降很小，存在大注入条件，因此不起作用。当阳极电压v a t 增大时，其主要降落在低 掺杂的耗尽区内，沟道势垒降低，s i t 的电流增大，s i t 的电流使二极管的正向压降相应 增大，空穴开始从阳极向衬底注入：但只要s i t 还未进入导通态，空穴的注入就不大，衬 底的电导和耗尽区宽度基本不变，器件此时仍具s i t 特征。v , a c 继续增大到一定程度，势 垒进一步降低，s i t 电流增大，二极管的正向压降增大、空穴注入加强，大量的电子和空 穴在耗尽区汇合后，除一部分复合外，大部分继续沿原方向运动：电子运动到阳极，空穴 运动到阴极；与此同时由于电子和空穴的积累，使得耗尽区宽度减小( 类似于三极管的基 区宽变效应) ，器件的端压降降低l y 开始发生转折。如此循环往复的过程，使得原有耗 尽层收缩直到最后消失，完成了负阻转折过程，器件有阻断态进入导通态。 4 0 兰州大学研究生学位论文 参考文献 【1 】李思渊，静电感应器件作用理论，兰州大学出版社，1 9 9 6 1 2 1 李思渊，静电感应器件物理、工艺与实践，兰州大学出版社，2 0 0 1 4 【3 】杨建红，静电感应器件的器件物理和器件特性的研究，兰州大学博士论文，1 9 9 8 4 1 杨军，静电感应器件电热特性的数值模拟，兰州大学硕士论文，2 0 0 3 【5 】童亚钦， s o im o s f e t 器件电学性能的研究，兰州大学硕士论文，2 0 0 4 6 1 胡冬青，栅一阴( 源) 极高耐压特性的制造技术及其电力静电感应器件，兰州大 学博士论文，2 0 0 5 7 1n i s h i z a w aj i ，t e r a s a k it ，s h i b a t aj ，f i e l d e f f e c tt r a n s i s t o rv e r s u s a n a l o gt r a n s i s t o r ( s t a t i ci n d u c t i o nt r a n s i s t o r ) ，i e e et r a n s e l e c t r o n d e v i c e s ，e d 一2 2 ，1 8 5 1 9 7 ，a p r ( 1 9 7 5 ) 8 1g u p t ar k ，s t a t i ci - vc h a r a c t e r i s t i c so fs t a t i ci n d u c t i o nt r a n s i s t o r s ，j a p p l p h y s 5 3 ( 3 ) 1