第２期 ２０ｌ１年４月 微处理机 Ｎｏ．２ Ａｐｒ．，２０１１ ＭＩＣＲＯＰＲＯＣＥＳＳＯＲＳ ＭＰＳ二极管的优化结构设计 何晓宇，张秀璐 （中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳１１００３２） 摘 要：无论是现代高压功率半导体器件ＩＧＢＴ（绝缘栅双极晶体管）还是早期晶闸管控制系 统中都不会缺少功率整流管的身影。功率整流管器件的软恢复能力是现阶段广为关注的一个非常 重要的参数指标。主要目标是对一种新型结构二极管（ＭＰＳ）的设计优化工作进行研究。从理论上 分析了ＭＰＳ功率整流器件的工作机理，对它的优缺点进行了分析。根据软恢复特性与结构的关 系，在原有结构基础上增加了缓冲层，根据不同浓度和厚度的缓冲层对ＭＰＳ的分析，得出了在ＭＰＳ 二极管中增加缓冲层可以改善器件软恢复特性的结论。 关键词：新型结构二极管（ＭＰＳ）；优化；软恢复特性 ＤＯＩ编码：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２—２２７９．２０１１．０．００２ 中图分类号：ＴＮ４ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００２—２２７９（２０１１）０２—０００５一Ｏ２ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ＭＰＳ Ｐｏｗｅｒ Ｄｉｏｄｅ Ｄｅｓｉｇｎ ０ｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ＨＥ Ｘｉａｏ—ｙｕ．ＺＨＡＮＧ Ｘｉｕ—ｌｕ （Ｔｈｅ ４７ｔｈ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｌｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ １ １００３２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐｏｗｅｒ ｒｅｃｔｉｉｆｅｒｓ ａｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｉｎ ｂｏｔｈ ｍｏｄｅｒｎ ｈｉｇｈ—ｖｏｌｔａｇｅ ｐｏｗｅｒ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｄｅｖｉｃｅｓ ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ—Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）ａｎｄ ｐｒｅｖｉｏｕｓ ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍｓ．Ｎｏｗａｄａｙｓ，ｓｏｆｔ ｒｅｃｏｖ－ ｅｒｙ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｒｅｃｔｉｉｅｒ ｄｅｖｉｆｃｅｓ ｇａｉｎｓ ｗｉｄｅｌｙ ａｔｔｅｎｔｉｏｎ ａｓ ａ ｖｅｒｙ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒ．Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｐｕｒｐｏｓｅ ｉｓ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ ｎｅｗ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｉｏｄｅ ＭＰＳ．Ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ＭＰＳ ｐｏｗｅｒ ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｌｙ，ａｎｄ ｉｔｓ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｂｕｆｆｅｒ ｌａｙｅｒ ｈａｓ ｂｅｅｎ ａｄｄｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｓｏｆｔ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｒｅｌａｔｉｏｎｓ，ａ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ＭＰＳ ｓｏｆｔ—ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｔｈｉｃｋ— ｎｅｓｓ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ．Ｔｈｅ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ ｔｈａｔ ｓｏｆｔ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｖｉｃｅｓ ｃａｎ ｂｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｂｙ ａｄｄｉｎｇ ｔｈｅ ｂｕｆｆｅｒ ｌａｙｅｒ ｔｏ ＭＰＳ ｄｉｏｄｅｓ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｏｂｔａｉｎｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｎｅｗ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｉｏｄｅ（ＭＰＳ）；Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ；Ｓｏｆｔ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ １ ＭＰＳ整流管的工作原理 ＭＰＳ整流管的结构中包含了肖特基二极管和 ＰＩＮ二极管的结构，所以工作原理也基于这两种二极 零，外延层的电子通过肖特基区域形成的沟道进入 金属，形成电流；第三个过程，继续升高正向电压， ＰＮ结导通，由Ｐ 区向沟道区注人的空穴在数值上 超过衬底杂质浓度，呈现出混合整流的特性，既有肖 特基整流特性，同时具有ＰＮ结整流特性。 ＭＰＳ的设计关键之一就是调整Ｐ＋区的浓度以 增加其注入效率。可以增大电导调制效应，从而降 低Ｎ区的串联电阻，因此它的正向压降也会降低， 功耗也将减少；关键之二是调整ＰＮ结区和肖特基 区的长度比，折衷其反向击穿电压和反向电流以满 管之间。半导体器件中的载流子浓度对器件的工作 特性有很大的影响。ＭＰＳ中，施加正向偏置电压时， 存在三个过程。第一个过程，施加正向电压开始，Ｐ 区开始向肖特基区域注入空穴，随着电压的升高注入 量随之增大，其中载流子的浓度分布发生变化。同 时，ＰＮ结势垒和肖特基势垒下降，肖特基和ＰＮ结均 未导通，所以漂移区的电子浓度梯度近似为零；第二 个过程，随着电压的继续升高，肖特基区域首先导 通，漂移区和沟道区的少数载流子浓度梯度不再为 足设计要求；关键之三是设计Ｎ区的厚度和掺杂浓 度，在满足达到反向击穿电压的条件下优化Ｎ区的 厚度和掺杂浓度，使其串联电阻达到最小。 作者简介：何晓宇（１９８４一），女，辽宁海城人，学士，主研方向：集成电路设计。 收稿日期：２０１０—０５—０５ ・６・ 微处理机 ２ ＭＰＳ二极管的优化设计 传统ＰＩＮ二极管具有好的反向耐压性能、大的 正向电流。它的不足之处在于大注入的少数载流子 存在于空间电荷区，使得恢复时间增长，开关速度较 低，不能满足电力电子电路中的高频要求。一般采 用电子辐射和掺人重金属等手段缩短载流子寿命来 提高频率特性，这样又产生了新的问题。电子辐射 获得载流子寿命为均匀分布，使器件中的剩余载流 子数量不足以维持“尾部电流”，即软特性不好。掺 人重金属使得通态压降升高和漏电流增大，同时在 生产线上控制最终的缺陷分布和剖面杂质很困难。 肖特基二极管为多子器件，导通电压低、开关速度快 是它的优点，但是其反向耐压能力差。ＭＰＳ具有低 的导通电压、大电流和大的反向耐压的特性。 ２．１ ＭＰＳ二极管Ｐ区的设计 ＰＮ结反偏时，由于是突变结，向Ｐ区扩展的长 度远小于１ｕｍ。表面电场和ＰＮ结深有关，最大电 场出现在冶金结处，所以为了使屏蔽效应充分发挥 作用，应使ＰＮ结尽可能的深。然而，由于结一般是 由离子注入形成的，要制作较深的结就必需用较高 的注入能量，这会损坏衬底且使ＰＮ结性能变坏，导 致漏电流增大。减少注人剂量可以最大限度地减少 衬底晶格损伤，ＰＮ结区在器件正向传导下不需要注 人载流子，Ｐ区也不需要好的欧姆接触，所以，相对 于ＰＩＮ二极管，ＭＰＳ的Ｐ 区的载流子浓度可以降 低。另一方面，为了使ＰＮ结的耗尽层主要在Ｎ一 区，Ｐ 区应有尽可能高的掺杂浓度。而对于注人效 率，它随着掺杂尝试的增加而提高。 ２．２ ＭＰＳ二极管Ｎ基区的设计 Ｎ区的设计主要是考虑到穿通电压和正向压 降，满足击穿电压后应尽量减少电阻以降低正向压 降。当基区厚度一定时，穿通结构的击穿电压Ｖ 在电阻率Ｐ 不太高的情况下，随电阻率Ｐ 的增加 而增加，但并不是单调递增的关系，当电阻率达到一 定程度时，电阻率的增加反而会使击穿电压下降，因 此此过程中存在一个峰值，如图１所示。 产生上述情况的原因是随着电阻率的增加，电 场强度变化更缓慢，Ｎ区高低结处的场强有所增加， 会使击穿电压增加，同时由于整个Ｉ区的高场强区 增宽，雪崩电离容易发生，又会使发生击穿时的最大 场强有所降低。当后一种情况占主导地位时，就会 导致穿通结构的击穿电压下降，由图１我们可以看 出，在电阻率Ｐ＝ｌＯ０Ｑ・ｃｍ附近时，它的特性比较 优异。根据半导体电阻公式： 图１ 穿通结构的击穿电压Ｖ 、随电阻率的变化关系 １ 口＝… 叭 ｎ＋ｑｔｘｐｐ 在Ｎ区内忽略空穴的影响，其中电子迁移率取 １２００ｃｍ／ｓ（掺杂尝试等的影响）可得Ｎ区内的掺杂 浓度： ｎ：一 一＝５．２×ｌＯ”ｃ瑚一 考虑掺杂的精度，取掺杂浓度为５×１０”ｃｍ一 。 而对于穿通型的二极管，它的击穿电压 可 表示为： ：Ｅ 一 厶己． 通过解上述方程，其中Ｖｅ ：１４００Ｖ，可以得到 Ｎ区的长度：￡Ｐ ：７６１ｚｍ ３ 结论 通过对ＭＰＳ二极管的设计优化进行一系列的 理论分析，研究缓冲层结构对ＭＰＳ这种特殊结构器 件特性的影响，得出了一些结论： ＭＰＳ的肖特基区域与ＰＮ结区域的面积比对器 件的性能影响很大，特别是肖特基区域的线性尺寸 存在一个下限，这个下限就是热平衡状态下，ＰＮ结 耗尽层沿肖特基区扩展的长度的２倍。这个下限的 漏电流为最小值。 ＭＰＳ的肖特基区域与ＰＮ结区域的面积比对软 恢复特性的影响很大，要获得较好的耐压、开关速 度、软恢复特性等需要很好的折中。ＭＰＳ结构中增 加缓冲层对其软恢复特性有很好的提高。过厚的缓 冲层和过高浓度都将影响器件的反向耐压特性。 参考文献： ［１］ 刘恩科．半导体物理［Ｍ］．北京：国防工业出版社， ２００２． ［２］关艳霞．电力半导体器件［Ｍ］．沈阳：沈阳工业大学出 版社，２００７． ［３］杨晶琦．电力电子器件原理与设计［Ｍ］．北京：国防工 业出版社，１９９９．