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2017届优秀毕业论文(二)

作者: 时间:2018-09-12 点击数:

MPS的少子特性仿真

电子科学与技术   201310946   孙霞霞

指导教师   汪再兴(副教授)

 要:对混合PIN/Schottky二极管(MPS)的少子特性进行研究,首先,对PIN二极管、肖特基二极管和MPS的工作原理进行了分析,然后在Silvaco TCAD软件下对MPS的少子浓度进行仿真,最后得出结论,偏压和器件结构的改变都会改变少子的浓度。

关键词:MPS,工作原理,Silvaco TCAD,少子浓度

Abstract:Firstly, the working principle of PIN diodes, Schottky diodes and MPS is analyzed, and then the minority concentration of MPS is simulated under Silvaco TCAD software. Finally, the minority molecules of MPS are analyzed. Conclusion, bias and device structure changes will change the concentration of children.

Keywords:MPSthe working principleSilvaco TCADthe minority concentration

1  绪论

电子产品中的PIN二极管和肖特基二极管是我们常用到的两种功率整流器件,肖特基二极管的反向漏电流大、击穿电压低,PIN二极管的大开启电压和较慢的反向恢复时间是制约其做性能优良的功率二极管。同时具有PIN二极管和肖特基二极管的优点并且没有二者缺点的二极管正在发展,这种二极管就是MPSMerged PIN/Schottky Diode,混合PIN/肖特基功率二极管)功率二极管,MPS二极管是一种结合PIN二极管和肖特基二极管优点的二极管,其结构也是由PN结和肖特基接触混合形成的[1]

2  功率二极管的基本理论基础

2.1  肖特基二极管

肖特基二极管是由金属和半导体接触形成的,肖特基二极管的简写为SBDSchottky Barrier Diode,如图1所示,在金属一侧,ΦBO是半导体接触的理想势垒高度,金属中的电子向半导体中移动形成势垒,该势垒为肖特基势垒;在半导体一侧,Vbi是内建电势差,是导带中的电子运动到金属中形成的势垒。金属和半导体之间加一个正电压,肖特基二极管处于正偏工作状态,正偏压下的肖特基二极管的能带图如图1所示,半导体势垒高度Vbi会减小,而ΦBO依然保持不变,使得内建电势差降低,这种情况下,电子很容易从半导体流向金属,半导体内部的少子浓度会增大。

1 金属与半导体接触能带图(正偏)

2.2  PIN结二极管

PIN结二极管是在重掺杂的P区和N区之间夹一层轻掺杂的i层而形成的半导体器件结构,如图2所示。由于i层的掺杂浓度较小,因此在零偏电压情况下,i层几乎是耗尽的;或者在器件上加较小的偏压时,i层是耗尽的,重掺杂的P区与i层的接触形成的单边突变结使得i层的耗尽区宽度很窄。i层的主要作用是承受反偏电压,正因为有i层的存在,PIN二极管比一般PN结具有更高的反向击穿电压,而且反向偏压下PIN二极管的漏电流比肖特基二极管的漏电流小。虽然i区的存在会增大反向击穿电压,但是当器件处于正向偏置时,i层两端的重掺杂P区和N区会向i层注入大量的空穴和电子,从而极大地提高了i层中的载流子浓度,这使得i层的电阻减小,i层承受电压的能力减小,有效的减小了PIN结二极管的正向压降[2]

2  PIN二极管的结构图

2.3  MPS器件结构及工作原理

2.3.1  MPS器件结构

MPS(混合PIN/肖特基二极管)包括两个功能部分:肖特基二极管(肖特基接触)并联一个PIN二极管(欧姆接触),如图3所示为MPS二极管的结构图,图a为整体的结构图,图b为某一元胞结构。

         aMPS结构图                  bMPS结构放大图

3  MPS的结构图

3  MPS二极管的少子特性仿真与分析

Silvaco TCAD软件下仿真的器件结构图和各个掺杂区浓度分布曲线图。

     aMPS结构图             b仿真掺杂浓度曲线图

4  MPS结构图和掺杂浓度曲线

3.1  阳极偏压对少子分布的影响

Silvaco软件仿真少子浓度分布时,将阳极电压分别设置为0.4V0.7V1.0V以下是在Silvaco软件下仿真得到的少子浓度曲线图。

   aMPS器件纵向少子浓度曲线   bMPS器件横向少子浓度曲线                    

      5  MPS0.4V阳极偏压下的少子浓度分布

aMPS器件纵向少子浓度曲线         bMPS件横向少子浓度曲线

6  MPS 0.7V阳极偏压下的少子浓度分布

 aMPS器件纵向少子浓度曲线 bMPS器件横向少子浓度曲线

7  MPS1V阳极偏压下的少子浓度分布

PN结正向导通时,少数载流子先形成一定积累,然后进行扩散,在正偏电压下从P区注入到N区的少子浓度随电压变化的理论关系式:

                                                              1

比较上述仿真图(a)可知,随着偏压的升高,漂移区的少子浓度增大,进一步验证了理论关系的正确性。阳极电压增大削弱了PN结的内建电场,PN结的势垒高度降低,将会有更多的空穴穿过空间电荷区注入到漂移区,使得N-漂移区少子浓度增大。

漂移区的少子空穴浓度随器件深度 变化的关系式:

                                                     2

其中 为空间电荷区边界处的空穴浓度值,Lp为空穴的扩散长度,由式(2)可知漂移区的少子浓度随着器件深度的增加而指数衰减。从仿真图567的(a)图中可以看出,随着器件深度的增大少子浓度指数减小。    

3.2  P+区的宽度对少子浓度的影响

改变MPSP+区的宽度仿真器件内部少子浓度得到以下的少子浓度曲线图。

             aMPS器件纵向少子浓度曲线   bMPS器件横向少子浓度曲线

8  PN结宽度为3?m少子浓度分布

              aMPS器件纵向少子浓度曲线  bMPS器件横向少子浓度曲线

9  PN结宽度为4?m少子浓度分布

              aMPS器件纵向少子浓度曲线  bMPS器件横向少子浓度曲线

 10  PN结宽度为5?m少子浓度分布

比较少子浓度曲线图8a)、图14a)、图10a)可以发现肖特基接触部分器件阳极表面的少子浓度基本不随着P+区宽度的变化而变化,器件表面向下3?m处的少子浓度受P+区宽度的影响较明显,P+区越宽少子浓度越大。

结论

MPS的阳极偏压和P+区宽度都会对器件内部的少子浓度产生影响,少子浓度随着正偏电压的增大而增大。器件内部少子浓度也随P+区宽度的增大而增大,由于表面复合使得MPS结构边缘处的少子浓度明显减小。

参考文献

[1] 黄健华. 4H-SiC混合PiN/Schottky二极管的一种复合终端结构的研究[J].西安电子科技大学,2010

[2] 关艳霞,李银娜. 混合PiN/Schottky二极管的研究[J]. 电子设计工程,2014,15:140-142.

[3] 陈天,杨晓鸾,季顺黄. MPS快恢复二极管正向压降的研究[J]. 半导体技术,2013,08:598-602.

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