硅功率器件与电路的现状及发展.doc

硅功率器件与电路的现状与发展杨建成（微电子与固体电子学重点实验室，2009年10月）摘要：本文介绍了功率器件的开关特性及电路反馈方法可更好的优化功率变换器的电路设计及器件选择。数学上从无旋静电场方程，输运方程及半导体器件物理出发，推导解释了三类离散型，垂直电流流动结构功率开关器件的击穿电压与导通电阻的相关问题；并对面向分岔，次谐波和混沌控制的功率电路的反馈控制方法进行了简单介绍。关键词： 超结功率器件(SJFET）；IGBT，功率MOSFET；导通电阻（Ron）；击穿电压（BV）Silicon Power Electronic Devices and Circuits: Status and Trends Jiancheng Yang(Guizhou University,Key Lab of Micronano-electronic and Software Technology, Guiyang 550025, China)Abstract:The switching characteristics, on resistance and blocking voltage, and their control methods are so profoundly interwoven that only a good grasp of underlying semiconductor physics，the theory of control and dynamical systems can guarantee optimum circuit design and component selection. We use field theory, transport diffusion equations and semiconductor physics methods to analyse the relationships between the specific on-resistance and avalanche breakdown voltage for the three type of discrete, vertical-current flow, power switching devices: power MOSFET, IGBT and superjunction power MOSFET; and also introduce the design oriented analysis of the bufercation and chaotic control of a DC-DC converter. Key words: Superjunction device; Power semiconductor device; IGBT ; On-resistance; Breakdown voltage61 引言自从1956年贝尔实验室发明了第一个晶闸管以来，功率半导体技术的发展不断创新，经历了功率MOSFET，GTO，IGCT，IGBT，SJFET等不同时代的新器件。半导体功率器件正朝着高频，大电流，高电压，栅控可关断方向发展。图1 是一个功率变换电路示意图。图中的开关功率器件可以是一个功率MOSFET，可以是一个IGBT，也可以是一个SJFET。对一个功率开关器件，我们希望，开状态时器件能承受足够高的压降，即具有足够高的击穿电压；而关状态时，器件应有大的导通电流，从而最小化器件导通压降以降低功率损耗。换言之，器件应有足够小的导通电阻。本文将分析硅功率MOSFET，IGBT，及SJFET 的击穿电压与导通电阻的相关问题。 MOSFET,IGBT,SJFET 图1 一个标准的功率逆变器输出电压应该是一个正弦波形。然而，实际的波形却是一个含有多次谐波成份的非标准波形。通常,使用可控PWM ，RESONANT-PULSE等信号进行调节，以尽可能减小其谐波成份。在数学上，我们常用无旋场来描述静电场。这也是我们在描述场效应器件时所用的基本数学方法。电介质中静电场的高斯公式为：用半导体的介电常数，掺杂浓度取代电荷密度及介质介电常数后，利用电介质中的静电场高斯公式可导出MOSFET的电流电压关系，以及我们所感兴趣的场效应功率器件的击穿电压与导通电阻关系。对PN结二极管及双极晶体管，我们将以与时间有关的空穴和电子的扩散方程及静电场泊松方程为出发点，推出双极输运方程。双极输运方程是描述晶体管内部载流子扩散及漂移运动的非线性微分方程，是推导晶体管的电流电压关系及相应的结构参数估算的基本方程式。2 硅功率开关器件工业上，有三类离散型，垂直电流流动结构的功率开关器件：传统的功率MOSFET，常用于功率开关电源装置，是一种高频低压功率开关器件；IGBT，是一种高压（300伏以上）功率开关器件；常用在新能源，工业机器人，电动汽车等领域；SJFET，是一种可用于高，低压工业设备的新型功率开关器件。下面分别给予介绍。A 功率MOSFET 一个双扩散功率MOSFET（DMOSFET）的示意图如图2所示。电子进入源区电极，横向从栅极底下的反型层漂移到n型漂移区，然后垂直地从n型漂移区移至漏区电极。整个过程可看作是在静电场驱动下的一维漂移运动。 图2由高斯公式： （1）其中为半导体的介电常数，Nd 和 Na 为施主及受主的掺杂浓度。当忽略电子及空穴浓度n及p，并考虑到沿垂直方向（设为Z方向）的一维方程式时有：，设W为n型漂移区厚度，其边界条件为，当z=W时，电场为零。则得其解为： （2）所对应的势函数为：（3）我们可以进一步求出在雪崩击穿点的临界耗尽区厚度与掺杂浓度的关系为： （4）其中A 为硅的电离系数。只要求出雪崩击穿点的临界耗尽区宽度，则击穿电压可从（3）式求得： （5）由（4）式，可求得DMOSFET的漂移区导通电阻为：（6）合并式（5）、式（6）消去掺杂浓度后，可求出击穿电压与漂移区导通电阻的关系为： （7）由以上分析可知，为了最小化沟道电阻，器件的宽长比应尽可能大；为了承受高反向电压，漂移区掺杂浓度应尽可能低，从而导致其漂移区厚度增加，导通电阻增大。既导通电阻正比于击穿电压的2.5次方。这也常被称之为导通电阻受击穿电压限制而存在一个极限“硅限”（Silicon limit）。 为了突破这一极限，许多新结构器件不断涌现，其 中，IGBT 器件就是其中比较成功的一种。B IGBT 一个标准的IGBT如图3所示。其结构与功率MOSFET相似，但工作原理却完全不同。从结构上看，IGBT只是用P+ 衬底取代了MOSFET 的N-，并增加了一个N+缓冲层。这样，IGBT变成了一个具有MOSFET 输入特征及晶体管输出特征的电压控制PNP晶体管。 图3 当反向电压施加在由P+/N-/P-Well组成的BJT 晶体管的集电极与发射极之间时，其击穿电压水平可以通过优化N-漂移区的宽度，电阻率，及降低掺杂浓度得以提高。N-漂移区宽度D的定量关系式为：D= + Lp （8）其常数，Vm 为最大阻断电压，Nd 为N-漂移区掺杂浓度, Lp为少数载流子扩散长度。正向导通时，P+衬底的高浓度空穴注入漂移区，对漂移区进行导通调制，从而大大降低了导通电阻及器件的通态电压。图4 是IGBT 的输出特性曲线。不同的栅压值，对应不同的PNP 双极晶体管集电极电流与集电极发射极电压的关系曲线。PN结的并入，使IGBT产生与功率MOSFET完全不同的功能。如我们以上提到的，在数学上，由于PNP 双极晶体管的载流子扩散运动，我们将主要用输运方程来描述其工作状态而不是静电场高斯方法。 图4IGBT 除具有晶闸管，功率晶体管的低导通压降，载流密度大的优势外，还兼有MOSFET驱动功率小，开关速度快的优点。其开关频率可达到几10 KHz，远远大于电流驱动的晶闸管，功率晶体管几KHz的开关速度。使其在新能源风电，太阳能发电的高功率变换器里得到广泛的应用。C SJFET一个最简单的SJ 结构如图5所示。这个SJ 结构由数对长度为Ly厚度为d ，掺杂浓度为Na,Nd的交替P-,N-柱状半导体薄层组成。像功率MOSFET 一样，柱状体及漂移区内可用静电场的高斯公式描述。 图5在功率MOSFET内，我们只须考虑沿Ly方向的一维场矢量。而在SJFET里，由于P-,N-柱状半导体薄层的电荷补偿作用，我们则要考虑电场的三维分布情况。在漂 移层加反向偏置电压时，由于插入 P 型区，可以补偿过量的电流导通电荷，将产生一个横向电场。由高斯方程， （9）解得： 当电压达到一定值时，漂移层耗尽，电场将只有Y 方向上依赖漏极偏压的增量，于是有耗尽层交叠后Y 方向电场值为， （10）我们可以进一步推出SJFET的击穿电压与漂移区导通电阻的关系为， （11）既SJFET的击穿电压为7/6次方而不是MOSFET的2.5次方。击穿电压与漂移区导通电阻的关系近似为线性关系。，其实，基于式（9）对SJFET 的描述并不十分恰当。为了更好的理解超结作用，我们重写（9）式如下： （12）这里 （13）以及 （14）以上方程定义了一种场调制效应。式（14）的场诱导掺杂水平能随垂直场斜率的变化而变化。开状态时，场调制降低了漂移区掺杂浓度，因而增大了对击穿电压的承受能力。3 功率变换器中的反馈控制 至今，电子电路反馈回路的设计一直沿用着1915年Armstrong提出正反馈电压放大器理论及1927年Black 提出的负反馈思想。然而，功率开关电路的反馈控制却不能完全使用基于线性小信号假设的电子电路反馈调节方法，需要借助控制理论来设计反馈控制回路。1948年维纳写出划时代的著作控制论，揭示了机器中的通信和控制机能与人的神经、感觉机能的共同规律至今，控制论已走过了60 多年的历史。 1974年美国工程师W-NEVEL关于电力电子系统的电子学，电力学及控制论的倒三角关系描述普遍被世界认可（如图6）。 图6 图7，为电流控制型DCDC开关变换器，是在电压控制型的基础上，增加了电流反馈环而形成了双环控制系统。 图7实际的功率变换器，当某些选定的参数发生变化时，往往会产生分岔，混沌等非线性行为。其相应的非线性动力学状态是很难用确定的传递函数来描述。为了实现系统性能最优，面向分岔，次谐波和混沌控制的反馈控制设计方法是当今功率变换器研究的前沿课题之一。自1990年以来，功率变换器的非线性问题主要集中在对Hopf 分岔，双时段（Period-doubling），等开关过程及控制方法的研究。对Hopf 分岔产生的低频不稳定性（慢尺度不稳定性）可采用电压模式的反馈控制环路；对双时段快尺度不稳定性则采用快速电流环反馈控制模式。一个双时段，分岔控制的双环电流控制模式DC-DC变换器电路示意图，如图8所示。 图8现在，基于鲁棒控制，人工神经网络，谐波注入1-4 等面向次谐波和混沌控制的非线性反馈控制功率变换器层出不穷。怎样使一个靠能量维持的负熵或正熵减小结构系统有效的工作及延续，将永远是神经科学家，心理学家，数学物理学家及工程师们所共同追求的答案。 4. 结论一个功率变换器的优化设计需要综合性考虑诸多因素。而开关器件的选择是其中最重要的因素之一。当考虑开关器件的开关特征时，要对其击穿电压与导通电阻的相关问题进行深入的了解。所以，掌握半导体器件物理方面的知识是很重要的。本文介绍了三种离散型，垂直电流流动结构的功率开关器件，并从无旋散度场及非线性输运方程的数学方法出发来解释其工作原理及特征。在确认了MOSFET及 SJFET使用相同无旋静电场描述的前提下，用一维高斯场方程推导了功率MOSFET击穿电压与导通电阻的“硅限” 关系式。并分析了基于电荷补偿作用的SJFET三维场描述方法及击穿电压与漂移区导通电阻的近线性关系式。从器件的场调制效应看，IGBT 是导通调制方式，既在关导通状态时，电子和空穴的注入，调制了漂移区的导通率从而有效的降低了导通电阻。而在SJFET 结构里，开状态时，场调制效应降低了漂移层的掺杂浓度，因而提高了对击穿电压的承受能力。功率变换器电路中的反馈控制将更多的融入次谐波，混沌控制等非线性动力学思想及鲁棒控制，人工神经网络，谐波注入等现代控制技术。这些思想与技术将对发展中的混合动力动汽车,太阳能，风能等新能源产业中的功率变换与管理技术起到巨大的推动作用。参 考 文 献：【1】Chowdhury, D. Ma, Design of Reconfigurable and Robust Integrated SC Power Converter for Self-Powered Energy-Efficient Devices, IEEE Trans. on Industrial Electronics (TIE), (invited paper), Vol. 56, No. 10, pp. 4018-4028, Oct. 2009.【2】Luo, D. Ma, Integrated Switching DC-DC Converter with a Pulse-Train/PWM Control, IEEE Trans. on Circuits & System (TCAS), Part II, Vol. 56, No. 2, pp. 152-156, Feb. 2009.【3】D. Ma, F. Luo, Robust Multiple-Phase Switched-Capacitor DC-DC Power Converter with Digital Interleaving Regulation, (invited) IEEE Trans. on Very Large Scale Integration Systems (TVLSI),