（微电子学与固体电子学专业论文）5a200v+jbs整流管的设计.pdf

兰州人学硕i ：研究生毕业论文 摘要 摘要 结势垒控制肖特基整流管( j u n c t i o n - - b a r r i e r - - c o n t r o l l e ds c h o t t k yr e c t i f i e r 缩写j b s ) 是 一种新型的肖特基整流管，它集肖特基整流管和p - n 结势垒的优点于一身，可制成大电流、 高反压、开关速度快、抗浪涌电流强的功率整流管。 本论文的主要工作是设计正向电流为5 1 0 a ，反向击穿电压为2 0 0 v 、3 0 0 v 、4 0 0 v 的系列j b s 整流器。论文在分析了j b s 作用机理的基础上，确定了器件的材料参数和结构 参数。 为了获得高的反向耐压，对器件采取了加场限环的终端设计。在对环间距进行了理论 分析之后，运用i s e 器件模拟软件对理论结果进行了数值模拟，最终的到了比较理想的环 间距和反向耐压，最后给出了5 2 0 0 vj b s 器件的版图示意图。 兰州人学硕l j 研究乍毕业论文 摘要 a b s t r a c t t h ej u n c t i o nb a r r i e rc o n t r o l l e d s c h o t t k y ( j b s ) r e c t i f i e ri s an o v e l c o n c e p t f o rt h e s u p p r e s s i o no fl e a k a g ec u r r e n t i n s c h o t t k y b a r r i e rr e c t i f i e r j b sh a v e m a n ye x c e l l e n t p e r f o r m a n c e s ：s u c ha sh i g h c u r r e n t ，b i gr e s i s tp r e s s u r e ，h i g hs w i t c h i n gs p e e da n dg o o dc a p a b i l i t y i nr e s i s t i n gs u r g ec u r r e n t ，c o m p a r i n gw i t hs c h o t t k yr e c t i f i e ra n dp - nj u n c t i o nb a r r i e r t h em a i n l yw o r ki nt h ep r e s e n tt h e s i si sd e s i g nas e r i e so fj b sr e c t i f i e rh a v i n gt h e p e r f o r m a n c ei n d e xo ff o r w a r dc u r r e n t5 - i o aa n dr e v e r s eb r e a k d o w nv o l t a g e2 0 0 v 、3 0 0 va n d 4 0 0 v b a s e do nt h eo p e r a t i o n a lm e c h a n i s mo fj b s ，t h em a i nm a t e r i a l p a r a m e t e r s a n d c o n s t r u c t i o n a lp a r a m e t e r sa r ed e c i d e d f o rt h ep u r p o s eo fh i g hr e s i s tp r e s s u r e ，ac o u p l eo ff l o a t i n gf i e l dl i m i t i n gr i n gs t r u c t u r ei s a d o p t e d a f t e rt h e o r ya n a l y s eo fs p a c eb e t w e e nr i n g s ，w eo b t a i n e dc o m p a r a t i v e l yo p t i m a l s p a c i n ga n dt h em a x i m u mb r e a k d o w nv o l t a g u s e i n gi s es i m u l a t i o ns o f t w a r e al a y o u to f 5 a 2 0 0 vj b sr e c t i f i e ri sd e s i g n e d 原创性声明 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，均已明确注明出处。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： 幺纽莹 日 期：丝qz ： 笸：2 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：差盘莹导师签名： 毕日期：尹沙 兰州人学硕i ：研究生毕q p 论文第一章，j l 苦 第一章引言 半导体工业是一切电子系统的核心，也是衡量一个国家综合国力的标志，是关系到国 民经济建设的一个重要战略。结势垒控锘i ( j b s ) 肖特基整流管作为一种改进的新型功率肖特 基势垒二极管( s b d ) ，其应用领域非常广阔。实现j b s 系列化以及规模化生产，不仅是社会 的需求，而且也是市场的需要，更是产业化的任务和必然，必将产生广泛的社会效益和巨 大的经济效益。 肖特基结又称金一半结，是科学家肖特基f w s c h o t t k y ) 于1 9 3 9 年发现并很早应用于肖 特基势垒二极管( s c h o t t k yb a r r i e rd i o d e 简称s b d ) 和金属半导体场效应管( m e t a l s e m i c o n d u c t o rf i e l de f f e c tt r a n s i s t o r 简称m e s f e t ) 的。对金属半导体整流系统最早的系 统性研究通常归功于b r a u n 。1 9 7 4 他注意到总电阻与外电压极性以及与细致表面状态的关 系。从1 9 0 4 年丌始，各种形式的点接触整流器开始得到了实际应用。与p - n 结相比肖特基 势垒结具有通态压降低，抗浪涌电流强，频率特性好且工艺流程简捷等特点。j b s 是在普 通p o w e rs b d 的漂移区集成多个梳状的p - n 结栅。结栅相邻p 区之间的电流通道设计成在 零偏和正偏时，保证不被央断，允许j 下向电流通过；在反偏时，p - n 结耗尽区展宽，以致 夹断电流通道，使j b s 的反向漏电流主要取决于p - n 结的反向电流。这种结构既保证了选 择低势垒使p o w e rs b d 的正向压降进一步降低，又能使反向漏电流明显减小。但是，这种 结构的反向击穿电压一直不高，我们的目的就是研制反向击穿电压大于2 0 0 v 的结势垒控 制肖特基整流管。 兰州大学物理科学与技术学院微电子研究所静电感应器件研制实验室2 0 年来从事静 电感应器件( s i d ) 的研制，连续完成了国家和省级六五到八五攻关，独立自主开发产品静电 感应晶体管( s i d 、静电感应晶闸管( s i t h ) 、双极型静电感应晶体管( b s i t ) 。不仅在实验， 计算机模拟，和理论分析三方面取得了多项处于国际f j 沿的成果，而且实验室有一条完整 两英寸晶片器件工艺制造线。能够独立完成扩散、光刻、氧化等工艺步骤，有成熟的工艺 水平。 本论文是在对j b s 的作用机理和结构特点进行深入分析、研究的基础上，同时运用场 限环理论，设计了正向电流为5 a ，反向击穿电压为2 0 0 v 的j b s 整流器。 1 兰州人学颇i j 研究乍毕业论文第一二章整流理论 第二章整流理论 2 1 肖特基接触 2 1 1 肖特基势垒的形成 具有不同功函数的金属与半导体接触时，电子的移动将造成半导体表面能带发生弯曲 进而形成势垒【。关于肖特基势垒的形成，一直以来都有两种解释。 1 s c h o t t k y m o t t 模型 图2 - 1 显示了肖特基势垒的形成【2 j 。这是没有考虑表面态和其他反常情形的理想状态， 图2 1 ( a ) 示出金属和n 型半导体各自独立、没有接触时的电子能量关系。如果用一段导线 将两者互连，作为一个统一的系统，电荷将从半导体流到金属并建立起热平衡状态，两侧 的费米能级在同一直线上，半导体中的费米能级相对于金属中的费米能级降低，降低量等 于两者功函数之差。 z ：f 织1 l 蔷t ( a ) 接触前 鬈 e 疋 e e ( b ) f h j 隙很大 jl l尹 九l l 口吃l 万 1r e _ 一飞。1 | | e ( c ) 紧密接触( d ) 忽略问隙 图2 - 1 金属和n 型半导体接触能带图( 睨 彬) 2 兰州人学坝l ：研究生毕业论文第二章整流理论 功函数足真空能级和费米能级之问的能鼍差，金属的功函数记做，半导体的功函数 为彬，图中q z 为亲和能，是从导带底e 到真空能级之间的能量差。q 识为巨和费米能级 之间的能量差，两个功函数之间的电势差为! 墨，称为接触电势。随着间隙距离d 的 g 减小，问隙之间的电场增加，在金属表面形成不断增加的负电荷，半导体耗尽层内必然存 在着等量的正电荷，耗尽层势垒的变化与单边p t 结相似。当d 小到足以与原子间距相 比拟时，间隙对电子透明得到极限时的情形，如图2 1 ( d ) 所示，显然半导体一边的势垒高 度为： g ；一g k = w 么一形( 2 1 ) 金属一边的势垒高度为： g 九，= w 乙一z ( 2 - 2 ) 由( 2 - 1 ) 式知，在同一半导体上由不同金属形成的肖特基势垒，势垒高度不同，实验表明， 对于禁带较宽，离子键较强的半导体，如二氧化硅，氧化锌等，上述结论基本正确。但对 禁带较窄，共价键较强的半导体，如硅锗等，上式不成立。这类共价键半导体的势垒高度 几乎与金属无关。这就须用巴丁模型解释f 3 1 。 2 巴丁模型 该模型认为半导体表面存在大量表面态。从半导体表面流到金属中的电子主要来自 表面态，因此，接触势垒高度与金属的种类无关。图2 。2 为有表面念和绝缘界面层时金属 与n 型半导体接触形成肖特基势垒的能带图。表面态的特性用中性能级g 丸表征。中性能 级表示当口唬以下能级全被电子填满而上面能级全空时，表面处于电中性，则肖特基势垒 高度满足如下形式： 口k = e 。一口九 ( 2 3 ) 其中口丸从价带顶算起。因而，势垒高度与金属无关，只决定于半导体的禁带宽度t 及表 面中性能级口九，这就是高密度表面念对势垒高度的“锁定 效应。 3 兰州人学硕i ：研究生毕业论文第_ 二帝整流理论 图2 - 2 肖特基势垒的b a r d e e n 模型 “锁定”效应也可以用高密度表面态对绝缘层中电场的屏蔽作用来解释。这样的半导 体与金属接触，为了与金属平衡不需要改变半导体空间电荷区的形状，只要表面态中的电 荷稍有变化即可。 实验显示，当表面态密度大于1 0 1 7 卯1 m 。2 时，“锁定效应是有效的，q q o o 的位置位于 距价带顶1 3 e 。的地方f 4 j 。 关于肖特基势垒高度式( 2 1 ) 和( 2 3 ) 是两个极端情形。一般情况下，金一半接触间既存 在表面态，而半导体表面念密度也不一定很高，因而势垒高度与金属功函数有关，但不由 功函数唯一决定。 2 1 2 肖特基势垒中载流子的输运机构 载流子通过肖特基势垒形成电流的方式有四种f 熨。现在以加正向电压的金属与n 型半 导体的接触为例进行讨论。这四种机构为： 1 半导体中导带中的电子越过势垒顶进入金属； 2 半导体导带电子以量子隧道效应穿过势垒进入金属； 3 耗尽区中电子、空穴的复合( 若加方向电压则为耗尽区电子、空穴的产生) ； 4 中性区复合，即空穴注入效应。 以上四种方式均表示于图2 3 。反向偏置发生与上述相反的过程。 4 兰州人学硕1 o f = ，l 牛毕业论文第一二章整流理论 图2 3j 下向偏置下肖特基势垒中电流传输的过程 g 办 在实际生产肖特基二极管时，总是设法使第一个过程成为影响导电的主要过程，而将 其他三个过程减小到可以忽略的程度。一般称这种二极管为理想肖特基势垒二极管，将其 他三个过程作为与理想情况的偏离。 2 1 3 肖特基的i - v 特性 对于常用半导体材料如s i 、g e 、g a a s ，金半势垒的电流主要受到电子越过势垒过程 限制。将势垒区内的扩散和漂移过程忽略不计，则这时电子费米能级水平地通过整个耗尽 区。外加电压使界面半导体侧的电子浓度增加了p 州玎倍。所以，势垒顶的电子浓度为： n = ，l e q r ，肛。为无外加电压时势垒顶的电子浓度。根据平衡载流子浓度分布的公式可知： ，l + = n o e 一叮九7 灯= n c e 一丘一舟7 灯e - q s7 灯= n c e g 7 七r( 2 4 ) 所以有： 刀= c e - q ( v b 胭( 2 5 ) 对于具有球形等能面的半导体，电子的速度分布为各向同性。由气体动力论可知，单 位时间入射到单位界面上的电子数为门观1 4 ，其中玩为半导体电子的平均热运动速度。于 是，由于电子从半导体越过势垒而向金属发射所形成的电流密度为： 5 兰州人学坝f ? 研究生毕q k 论文 第一二章整流理论 j 跚= 竽p 吲咿m r ( 2 6 ) 当然，同时也有电子从技术想半导体发射。由于金属一侧的势垒高度。屹不受偏压的影 响，所以这个电流密度总是： 屹= 竽p 砒脚( 2 - 7 ) 总的电流密度为： j = j 哪一j m s q n 。f f , he - q v , k r e - q v k t - i ( 2 - 踯 由麦克斯韦速度分布律知： 玩；( 罢) z ( 2 - 9 ) 导带的有效态密度为： c = 2 ( 2 a m + k t h 2 ) 3 胆 ( 2 1 0 ) 其中m 为半导体中电子的有效质量。 将( 2 9 ) ( 2 一1 0 ) ) 代入( 2 8 ) ，得热电子发射理论的电流电压关系： j = a + t 2 e g 7 re q y 7 r 一1 】= j s 【p 9 y 肚r 一1 】 ( 2 1 1 ) 其中 j s = a t 2 e - q v b 船 称为饱和电流密度 a 一么万腕+ q k 2 h 3称为有效旱查逊常数 2 1 4 实际肖特基整流管的i - v 特性 当偏压超过3 k t q 时，式( 2 1 1 ) 括号中的最后一项可以忽略，电流密度应该与 e x p ( q v k t ) 成正比。但是，实际上并没有这样的结果，通常情况下电流按照e x p ( q y 础r ) 变化，其中，n 近似为常数，并r n 1 ，n 常被称为“理想因子 ，n 的取值一般在1 5 1 0 之间。 山此可得：，= i se x p ( q v n k t ) 6 兰州人学硕l ：研究牛毕业论文 第一二章整流理论 两边去对数：l n l = 羔v + l n l r l 足丁 5 可见，l i l ，一v 为一4 条直线： 以；旦竺二坚；旦盟。 七丁l n l h l 七丁l n 生 ，l 图2 4 表示出了有串联电阻影响时，实际整流结的电流电压特性。 l n i jl j v 7 图2 4 有串联电阻影响时，实际整流结的电流电压特性 2 2 肖特基二极管( s b d ) 简介 肖特基势垒二极管又称势垒二极管，简称肖特基二极管，常用s b d 表示。它是利用 会属与半导体之间的接触势垒进行工作的一种单极、多数载流子器件，具有少子注入效应 很小，开关速度快，开关功率损耗低，频率高，正向压降小等一系列特点，常用于微波混 频，检波及超速开关电路中。肖特级势垒二极管的特性参数有中频阻抗，噪声系数，电压 驻波比等。中频阻抗的定义是：当二极管加上额定的本征功率时，对指定的中频所呈现的 阻抗。肖特基势垒二极管的中频阻抗在2 0 0 6 1 3 0 欧姆范围。 s b d 是通过金属与半导体接触而构成。由于电子迁移率比空穴高，故采用n 型s i 或g a a s 为材料，以获得良好的频率性能。金属材可用金、钼、镍、钛或常用的铝。图2 - 5 ( a ) 是s b d 的结构示意图。采用在低阻n + 衬底上外延一高阻n 一薄层的结构，可以减少结电容 7 兰州人学帧i 研究生牛业论文第二章整流理论 和提高反向击穿电压又不过于增人串联电阻，这样可保证在微波条件下有效地工作。 l o _ 一厂v 7 、v 广l 一? ( a ) ( b ) 图2 5s b d 的结构、电路符号和等效电路 r 2 金属和n 型半导体互相连接构成的s b d ，它和p 一，l 结相似，要形成空间电荷和自建场，这 是分析s b d 单向导电性的基础。但是，和n 型半导体与p 型半导体接触形成的p 一以结不 同，金属和n 型半导体接触之后，耗尽层只在n 型半导体一侧，因而可以认为势垒区全部 在半导体一侧。这个势垒区内有一个自建电场，电场方向由n 区指向余属。随着热电子的 发射( 电子从半导体向金属扩散) ，自建场增加，这又引起和扩散电流相反的漂移电流的增 加，最终达到动态平衡。这时金属和半导体之间有一个接触势垒，这就是肖特基势垒。 此时的能带图如图2 - 6 ( b ) 所示，耗尽层内的能带是向上弯曲的。势垒的高度咖s 称为内建电 位差或接触电位差。对于金属中的电子来说，也存在一个势垒丸。，它阻止电子从金属流向 半导体。只有少数能量大的电子会越过这个势垒进入空间电荷区，在自建场的作用下向半 导体一侧漂移过去，形成漂移电流。如前所述，在外加电压为零时，电子的扩散电流和这 个反向漂移电流相等，达到动态平衡。 8 兰州人学硕i j 研究生# 业论义 第二章整流理论 e 一 oo 金属 oo 半导俸 oo oo g 图2 6 金属和半导体接触之后的电荷分布 在外加偏压下，空间电荷区、自建电场、势垒都要发生变化。空间电荷区主要在半导 体一边，外加偏压也主要是改变这一边的电位差。在加正向电压即( 金属一边加正电压半导 体一侧加负电压) 时，自建场将消弱，半导体一侧的势垒将降低。这时从半导体到金属的电 子数目增加，超过从金属到半导体的电子数目，形成正向电流。在加反向电压时( 即金属加 负电压) 自建场将加强，势垒高度增高。这时从半导体到金属的电子减少，使得金属到半导 体的电子占优势，形成一股由半导体到金属的反向电流。金属方面的势垒不随外压变化， 所以，金属向半导体的热电子发射电流也是恒定的。因此，当反向电压提高到半导体射向 金属的电子可以不计时，反向电流将趋于饱和值，即等于金属向半导体的热电子发射电流。 综上所述，s b d 在外压作用下表现出单向导电特性。在正向时表现为小电阻流过大的 电流；在反向时表现为大电阻通过小电流，因此它和p n 结二极管一样是一种单向导电的 非线性器件。但是，s b d 在正向导通时，电子是流到金属中而不是流到p 型半导体中，因 此不存在非平衡少子的存储以及由此产生的扩散电容，所以肖特基二极管在很高频率下作 为检波和混频用，性能都十分理想。 此外，肖特基二极管的正向起始电压比普通s ip n 结二极管低，例如硅铝，钛硅 肖特基二极管的正向起始电压约在0 3 v 左右，反向耐压也比一般p n 结二极管低。由于 以金属代替了p 型半导体，消除了p 区电阻和与其相连接的欧姆接触电阻，无论是作为变 容管还是变阻管使用，都有利于降低噪音。肖特基势垒二极管因反向击穿电压较p n 结二 极管低，不能承受大的功率。 9 兰州人学硕i j 研究生毕业论文 第一：章整流理论 2 2 1 肖特基势垒二极管( s b d ) 结构 图2 7 给出了常用的s b d 结构和反偏时耗尽层的扩展情况示意刚引，图2 - 7 ( a ) 为常用 的金属覆盖结构，由于金属层下的s i 0 2 中有j 下电荷聚集，使该处的耗尽层减薄，边缘效 应增强，导致击穿电压下降、漏电流增大。对于n 型硅，反向击穿电压b v 等于i o v 左 右。图2 - 7 ( b ) 采用了p + 扩散保护环结构，使电场集中的现象得到缓和，b v 基本上由n s i 的掺杂浓度决定，其b v 大于2 5 v ，但面积和寄生电容都增大了。图2 - 7 ( c ) 是把金属接触孔 周围的s i 0 2 减薄，使边缘电场拉平以提高b v ，但这种结构需要增加薄氧工艺。 、夥，一- 乡 - ，- ，。， ( c ) 图2 7 常用的s b d 结构和反偏时耗尽层的扩展情况示意图 2 2 2 功率肖特基二极管的理论与分析 理解影响功率肖特基整流器性能的主要器件机制，对于优化功率肖特基整流器的设 计是非常必要的。功率肖特基整流器的关键性能参数为：击穿电压、正向压降、反向漏 电流、功率损耗和开关时间。应用不同，不同参数的重要性也有所区别。 每个性能参数受一个或多个物理机制的影响，因此将关键性能参数与肖特基接触整 l o 兰州人学颂l ：副f 究生毕q k 论文第二二章整i j i c 理论 流器的器件物理联系起来足非常重要的。另外肖特肇整流器的分析需要考虑在金属 半导体界面的高电场效应。典型的肖特基整流器包括外延层上的电压降，衬底和背面欧 姆接触。影响功率肖特基整流器特性的主要器件设计变量包括：接触金属功函数、外延 层掺杂浓度、外延层厚度和器件边缘终端。 ( 1 ) 击穿电压 肖特基整流器的击穿电压依赖于半导体击穿电场、外延层掺杂浓度和器件边缘终端。 因此可用击穿电压来确定平行平面雪崩击穿条件下的最佳外延层厚度和掺杂浓度。选择 的掺杂浓度为能够承受指定击穿电压的最大浓度。外延层掺杂浓度的关系式为： d = 2 x 1 0 1 8 曙7 3 ( c m 3 ) ( 2 1 2 ) 其中，n d 是n 型外延层的掺杂浓度，单位是c 优刁，是击穿电压，单位为v 。最小外延 层厚度应为在反向击穿电压时耗尽层宽度，其值由下式决定： f = 2 6 7 1 0 1 0 耵馏) ( 2 1 3 ) 为获得肖特基整流器的平行平面击穿电压，需要采用器件的边缘终端。非边缘终端器件 的二维和三维电场聚集使得接触边缘的电场增加，大于平行平面电场。对于功率器件的 边缘终端技术已有许多报道：与氧化层重叠的场平面技术、浮会属环、p 型保护环、注入 4 离子形成高阻表面区、注入b 离子形成高阻表面区，这些技术能够减少电场聚集这样 可以获得平行平面电压。 ( 2 ) 正向电压降 正向压降是肖特基势垒高度和串联电阻的函数。币向压降可用公式表示为： = 等l n ( 专m 九+ 以 ( 2 _ 1 4 ) 式中咋为j 下向压降，n 为理想因子，k 为玻尔兹曼常数，t 为温度，j f 为难向电流密 度，a 为理查逊常数，九为肖特基势垒高度，为开态电阻。器件丌态电阻是外延层 掺杂浓度与厚度的函数( 忽略衬底和欧姆接触) 。给定击穿电压的开态电阻为： 。焘= 5 9 3 x 1 0 - 9 曙0 q 叫( 2 - 1 5 ) 式中为外延层电阻率，以为外延层电子迁移率。 在器件优化设计中，如果电流密度已确定，用击穿电压来决定外延层的掺杂浓度和 兰州人学硕i j 研究生毕业论艾 第_ 二章整流理论 厚度，这样影响正向压降的唯一变量为肖特基势争高度。然而，当击穿电压增加时，从 方程( 2 1 5 ) 可知，漂移区的串联电阻迅速增加，将导致较高的丌念电压降这可以从图2 8 示出的击穿电压高于2 0 0 v 的整流管的结果看出i7 1 。虽然降低肖特基势垒高度可以减小其 开态电压，但也将导致反向漏电流的严重增加。 ( 3 ) 反向漏电流 在小的反向偏置电压下，肖特基二极管的漏电流由肖特基接触的饱和电流决定。然 而，当功率器件承受高的反偏电压时，必须要考虑肖特基势垒降低的因素。利用镜像力分 析法1 5 6 】处理肖特基势垒降低效应获得的反向漏电流密度为： ，矗( k ) = 一a te 一9 如以如肘( 2 1 6 ) 式中 鲎 釜 = 厝 l 乜洗存i 噬吖a i c m 2 ) 图2 8 击穿电压在5 0 3 0 0 v 的硅肖特基整流管的丌态特性 其中最大电场( 乞) 与所加的反向偏压有关，即： 岛= ( 2 - 1 7 ) ( 2 1 8 ) 图2 - 9 中分别示出了考虑与不考虑肖特基势垒降低效应计算出的肖特基势垒整流管的泄漏 电流结果。图中显示，在高的反向偏压下，由于肖特基势垒降低，反向漏电流有显著增加， 事实上，肖特基整流管的实际漏电流比考虑了肖特基势垒降低效应的理论预言结果还要 1 2 兰州人学硕i ：剐 究生毕q k 论文 第一二章整流胖论 大。 2 0 t1 丐 妄 ，：， 雀】【】 嚣 捌 鬟 罢=c o o 】o2 03 04 0 5 0 反向偏j 、，v 图2 9 硅肖特基整流管的反向阻断特性 为了解释高反向偏压下大的反向泄露电流，必须要考虑当所加的反向偏压接近击穿电压 时，大电场引起的载流子早期雪崩倍增效应【8 1 。当肖特基势垒高度降低时，虽然正向电压 较低，但反向漏电流也有所增加。肖特基功率整流管需要在正向压降和反向漏电流间进行 折衷考虑以实现性能的优化。在器件设计中非常有用的折衷曲线给出了正向压降和反向漏 电流之间的关系，即 ，r j ，p 一吁咋7 r ( 2 1 9 ) 在不同环境温度下计算得到的肖特基整流管的折衷曲线示于图2 1 0 。需要指出的是折衷曲 线并不依赖于制备器件所采用的半导体材料( 材料仅引起里查逊常数a 有一小的变化) 。 1 3 兰州人学坝i j 研究生毕业论文 第一二章整流理论 0 e 2 型 蕞 三 一 漠 三 一 型 止向压 并t v 图2 1 0 具有低击穿电压的硅肖特基整流管在开态压降和反向漏电流之间的折衷曲线 ( 4 ) 功率损耗 肖特基整流器的功率损耗依赖于j 下向压降和反向漏电流密度。肖特基整流器的功率损耗可 用公式表示： p o = ( 露d ) o 名j f ) + ( 1 一络d ) ( p 二j )( 2 2 0 ) 式中如为功率损耗，叼d 为开态占空比。考虑到功率肖特基整流器的功率损耗，在选择金 属时，需权衡考虑。形成低势垒的金属减少了正向压降，但是增加了反向漏电流。相反，形 成高势垒的金属增加了正向压降，减少了反向漏电流。因此在选择肖特基接触余属前，需 要考虑占空比所要求的f 向电流和击穿电压。 ( 5 ) 开关时间 肖特笨整流器的开关速度依赖于主要的正向电流机制。 2 3p i n 结构 p i n 整流管被广泛应用于高压功率电路中。与肖特基整流管不同，p i n 整流管的n 型漂移区( 称为本征区域或i 区) 在正向导通时流过的是少数载流子。由于在电流流过期 间，允许这些二极管在正向导通时具有高的载流子浓度，发生电导调制效应，所以i 区的 电阻非常小。然而，当p i n 整流管有j 下向导通向反向阻断模式阻断时，高浓度的载流子会 引起一些问题，这时因为在转变时，这些存储在i 区的电荷必须被移走，以使器件能够维 持高的反向压刚7 1 。p i n 整流管的结构和其在歼态时的载流子及电势分布如图2 1 1 所示。 1 4 兰州人学坝l j 研究生毕业论文 第一二章整流理论 结构 载流子 浓度 颀 电势 p + n 一漂移区( i 区) n + + d 图2 1 1p - i n 整流管在开态时的载流子分布很电势分布 在高频下，限制p i n 整流管性能的主要因素是从开态向关态转换过程中的功率损耗。 反向恢复时，在p i - n 整流管中产生一个大的反向瞬态电流。即使经过反向电流的峰值后， 整流管上的电压仍很大，因此整流管的功率损耗很大。此外，反向峰值电流将加到控制功 率电路中电流的晶体管的平均电流之上。这不仅使得晶体管的功耗增加，而且还在电路内 部产生一个高的电流应力，该应力引起二次击穿失效。通过在i 区引入复合中心来减小少 数载流子的寿命可获得小的反向恢复时间，改善器件的性能【9 j 。 2 4 结- 势垒- 控制型肖特基整流管( j b s ) 功率肖持基二极管( p o w e rs b d ) 由于正向压降低、功耗小、开关速度高，在直流低压 大电流领域得到了广泛应用。但是，p o w e r s b d 的低压降、小功耗是以低势垒为前提的。 较低的势垒高度会使器件反向漏电流增加，最高工作温度降低。为了解决p o w e rs b d 正 反向特性之间的矛盾，使其既具有低压降，又有较小的反向电流，必须对p o w e rs b d 的 器件结构加以改进，结势垒控制肖特基整流管( j u n c t i o n - - b a r r i e r - - c o n t r o l l e ds c h o t t k y 1 5 兰州人学硕l ：研究牛毕业论义 第一二章整流理论 r e c t i f i e r 缩写j b s ) 就是为解决这一问题提出的一种新型肖特基势垒整流器件i lo 。j b s 是住 普通p o w e rs b d 的漂移区集成多个梳状的p - n 结栅1 1 0 。12 1 ，见图( 2 - 1 2 ) 。结栅相邻p 区之 间的电流通道设计成在零偏和j 下偏时，保汪不被央断，允许i f 向电流通过栅间电流通道 从器件的阳极流到阴极；在反偏时，当反偏压超过几伏时，p - n 结栅相邻的结耗尽区交迭， 引起耗尽层穿通。耗尽层穿通后将在沟道中形成势垒，并使耗尽层向刀一衬底扩展。因此， 势垒层屏蔽了外加电压对肖特基势垒的影响，防止了肖特基势垒降低现象的发生。 图2 1 2j b s 结构示意图 在下一章中将详细介绍j b s 的正反向特性及其结构参数和材料参数的设计。 1 6 兰州人学硕l ：研究生毕q k 论文第一二章整流理论 参考文献 【1 】施敏半导体器件物理黄振岗译第二版北京电子工业出版社，1 9 8 7 【2 】刘恩科，朱秉升等半导体物理学第六版电子工业出版社，2 0 0 3 【3 】罗小蓉，6 h s i c 肖特基二极管的特性研究。四川大学硕士学位论文，2 0 0 1 【4 】4qz h a n g ，vm a d a n g a r l i ，ss o l o v i e v ，t ss u d a r s h a n ，w i d e - b a n d g a ps e m i c o n d u c t o r sf o r h i g h - p o w e r ，h i g h f r e q u e n c ya n dh i g ht e m p e r a t u r ea p p l i c a t i o n - 19 9 9 ，s y m p o s i u m m a t e r r e s s o c ，p 7 5 - 8 0 ( 19 9 9 ) 【5 】张海燕，薄硅外延片的生长及高频肖特基二极管的研制，浙江大学硕士毕业论文，2 0 0 2 【6 】朱正涌，半导体集成电路，第一版，清华大学出版社，2 0 0 1 【7 】施敏现代半导体器件物理北京科学出版社2 0 0 1 【8 】lt ua n db j b a l i g a ，t h er e v e r s eb l o c k i n gc h a r a c t e r i s t i c so fs c h o t t k yp o w e rd i o d e s i e e e t r a n s e l e c t r o nd e v e d 一3 9 ，2 8 1 3 ( 1 9 9 2 ) 【9 】b a l i g a ，b j s u n ，e c o m p a r i s o no fg o l d ，p l a t i n u m ，a n de l e c t r o ni r r a d i a t i o nf o rc o n t r o l l i n gl i f e t i m ei np o w e r r e c t i f i e r s i e e et r a n s a c t i o n se l e c t r o nd e v i c e s ，2 4 ( 6 ) ：p 6 8 5 6 8 8 1 9 7 7 【1 0 】b j b a l i g a ，t h ep i n c hr e c t i f i e r ：al o w - f o r w a r d - d r o ph i g h s p e e dp o w e rd i o d e i e e e e l e c t r o nd e v i c el e t t e r , 1 9 8 4 ；5 ( 5 ) ；1 9 4 1 9 6 【1 1 】b j b a l i g a ，a n a l y s i so fj u n c t i o n b a r r i e r - c o n t r o l l e ds c h o t t k y ( j b s ) r e c t i f i e rc h a r a c t e r i s t i c s s o l i d - s t a t ee l e c t r o n i c s ，v 0 1 2 8 ，i s s u e1 1 ，p p 1 0 8 9 - 1 0 9 3 【12 】k o z a k a ，h t a k a t a ，m m u r a k a m i ，s y a t s u o ，t l o wl e a k a g ec u r r e n ts c h o t t k yb a r r i e r d i o d e i ni e e ei n t s y m p p o w e rs e m i c o n d u c t o rd e v i c e sa n di c s 1 9 9 2 p 6 6 1 7 兰州人学帧i j 研究乍毕业论文 第t 章j b s 的器件墩理和相关参数的设计 第三章j b s 的器件原理和相关参数的设计 3 1 器件特性分析 3 1 1 正向特性 正向特性可根据热电子发射理论并结合器件结构的几何尺寸进行解析分析。讨论中 所用到的参数如图3 - 1 所示。s 是扩散p + 区时的窗口宽度，m 是扩散掩膜尺寸，x ，为p + 一咒 结的结深，t 为外延层厚度。 图3 1j b s 单胞结构图 正向偏置时，p + 一咒结耗尽区宽度为w ，即 叫薏c ，r ， 式中，为p + 一咒结的自建电势，咋为正向压降，d 是n 型外延层掺杂浓度，f ，为硅的 介电常数。设横向扩散结深是纵向结深的8 5 ，则电流通道宽度为； 兰州人学硕i j 研究生毕业论义 第三章j b s 的器件j 泉理和相关参数的设计 2 d2 m 一2 w h j 8 5 2m 一2 w 一1 7 x j ( 3 2 ) 根据热电子发射理论，肖特基势垒上的压降在任何给定的电流密度下可表示为： 咐等l i l 杀 ( 3 3 ) 式中：九为肖特基势垒高度，j 殿为j 下向电流密度，a 为有效理查逊常数，k 为玻尔兹曼 常数，t 为绝对温度，q 为电子电荷。 设流过每一元胞的电流密度为j 慰。对于图3 2 所示的结构，则 j f 52 等k 吣 将( 3 - 4 ) 式代入( 3 - 3 ) 式，得 咿警a 1 】 ( 3 - 5 ) g z d 。 n 气、 在计算l q 型外延层电阻上的压降时，应考虑到电流扩展效应的影响。由于j b s 导 电机理类似j f e t ，故可采用类似求解高压垂直沟道j f e t 扩展电阻的方法，求得j b s 外延 层的串联电阻为【1 l ： = p 器ml n ( 警 ( 3 6 )= p 尘_ 并l n ( 等)( 3 6 ) i + s 一翻l朋 式中，p 为外延层电阻率，故外延层上压降 一“，p 器m4 - sl n ( 筹) ( 3 - 7 )一k 甲= j 彤p 尘等l n ( 二)( 3 - 7 ) i一捌l删 j b s 的正向压降咯为肖特基势垒部份和外延层上压降之总和，由( 3 - 5 ) 式和( 3 7 ) 式得 咐和警斋】+ j e c p 篇l n ( 百m + s ) ( 3 - 8 ) 式中，2 d 是的函数，故( 3 8 ) 式不是f 向压降的解析解。然而，j b s 实际工作在较低 的正向压降下，刎随的变化很小，故可近似认为2 d 是一常数因此，由( 3 - 8 ) 式可 求解t b s 的下向j v 特件。 1 9 兰州人学顾l j 研究生毕业论文第t 章j b s 的器件原理和相关参数的设计 3 1 2 反向特性 j b s 的反向阻断模式如图3 - 2 所示。 图3 2 j b s 反向阻断模式 j b s 的反向电流由两部分组成，第一个分量是穿过肖特基势垒的载流子注入，主要发 生在低电压下，与势垒高度九和场强有密切关系【2 1 。若考虑到肖特基势垒的面积，当反向 电压为k 时的漏电流j 岱为： 。c 2 d ) a t 2 m + s e x p ( 盟k t h 9 簪) l p 亭是肖特基势垒区的场强，其表达式为： 亭； 2 q n dc u r 一一k r ) l ： ( 3 1 0 ) q ( 3 1 0 ) 式中，已考虑了由于反向偏压引起肖特基势垒高度的降低l 引。在j b s 整流器中，反 偏条件下一旦结势垒建立，肖特皋势垒区的场强就不再发生变化，肖特基势垒对反向电流 的贡献也在结势垒建立后与反向偏压无关。 第二个分量是卜n 结耗尽区产生电流与扩散电流分量，它们与少子寿命z 有密 切关系，其表达式为 扣口信番+ 半 p1 1 ) 式中，d 是扩散系数，巩为本征载流子浓度，w 为耗尽区宽度，即 2 0 兰州人学坝l j 研究牛毕业论文第t 章j b s 的器件缘理和相关参数的设计 彬= 两2 e , 弧+ 耐 因此，由( 3 - 9 ) 式和( 3 - 11 ) 式可求得j b s 的反向电流为 ( 3 1 2 ) - - 一j l s + 小c 羔肌卟q 驯c p bi 唧卜孥) 3 ， 圯胆立n o + 半 上式说明，j b s 的反向电流除了与势垒高度九有密切关系以外，还与器件的结构参数、 材料特性有关。 当j b s 反向偏置时，其反向电流可以由( 3 1 3 ) 式得出。在反向电压k 小于夹断电 压匕时，反向漏电流的大小主要决定于( 3 1 3 ) 式的前半部分，可以看出，当金属和半导 体材料选定之后，金半接触的势垒高度九为一定值。势垒区的电场强度e h _ k 面的( 3 1 0 ) 式决定，调节扩散p + 区时的窗口宽度s 和扩散掩膜尺寸m ，可以得到不同的反向漏电流。 当反向电压大于夹断电压时，肖特基下的耗尽层发生交叠，引起耗尽层的穿通。耗尽层穿 通后将在沟道中形成势垒。如果所加电压继续增加，则增加的压降都将落在势垒层上，并 使耗尽层向n + 衬底区扩展。当穿通条件建立，随反偏压的增加，漏电流将在雪崩击穿点的 出现前基本保持不变，此时的反向漏电流只要由( 3 - 1 3 ) 式后半部分决定。此时j b s 整流 管的反向漏电流与器件所选材料的特性有关。 3 2j b s 整流管的参数设计 本次设计我们的目标是正向电流为5 a ，反向击穿电压为2 0 0 v 的j b s 整流器。要想 得到2 0 0 v 的反向耐压，需要对器件进行终端造型，本次设计中我们要为所设计器件加两 道场限坏。对于半导体平面器件，单个场限坏能使平面p 一以的耐压达到理想击穿电压的 5 0 6 0 i 刖。 j b s 整流管的参数设计主要是材料参数和结构参数的选取。其中材料参数主要包括 主结和场限环p + 区的掺杂浓度，n 漂移区的掺杂浓度以及作为欧姆接触的n + 区的掺杂浓 度。结构参数包括多项内容，也是本实验的重点所在。结构参数和材料参数直接影响到器 2 1 兰州人学硕i ：研究生毕业论文第三章j b s 的器件胤理和相关参数的设计 件的特性，下面我们将做细致讨论。 3 2 1 材料参数的确定 根据以往经验，考虑到我们设计的j b s 整流管要具有低的导通压降和高的反向击穿电 压，我们选取主结和场限环p + 区的掺杂浓度n a l x l 0 1 9 c m 4 。 本实验中的肖特基接触为金属烈和低掺杂的n 漂移区接触。以此可查得金半接触的 势垒高度九= 0 8 1 v s l 。 衬底材料的厚度由器件的耐压容量决定。对于j b s 来说，n 型漂移区用于承受所需的 反向阻断电压，我们可以根据确定肖特基功率整流管材料参数的方法来确定j b s 的n 型漂 移区厚度和浓度。加了场限环之后，所得器件的耐压大概是理想击穿电压的6 0 ，因此要 达到实际2 0 0 v 的耐压，我们设计时的反向耐压要取到 = 3 5 0 v ( 3 - 1 4 ) 将( 3 1 4