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碳化硅PiN二極管正向電壓及正反向電流特性

作者:海飛樂技術 時間:2018-07-24 18:08

  與普通pn結二極管不同,PiN二極管在兩端的p型與n型高摻雜之間增加了一個低摻雜層,整個結構分三部分,p+區、i區和n+區。i區既可以是n型摻雜也可以是p型摻雜。與pn結二極管一樣,PiN二極管內部電子與空穴均參與輸運,屬于雙極器件。在PiN二極管中,i區中的少子特性很大程度上決定整個器件的直流特性。
 
  由于i區的存在,零偏壓時,PiN二極管處于截止狀態,小正向電壓階段(小于開啟電壓),器件有極小的正向電流,當正向電壓達到導通電壓后,正向電流劇增。一般的,PiN二極管的導通電壓比SBD二極管要高,主要是i區的存在,增加了開態電阻Ron。雖然i層會造成電阻增大,不過當器件處于正向偏置大注入狀態時,i區中存在大量由兩端高摻雜的p+區和n+區注入的電子和空穴,從而極大地提高了i區的載流子濃度,大大降低i區的電阻,這種電導調制效應可以帶給器件正向特性的改善。碳化硅的高臨界擊穿電場使得PiN中間的i層可以做得很薄,加上碳化硅中較高的載流子飽和遷移速率,令碳化硅PiN二極管可以具有很好的開關特性。與SBD二極管相比,PiN二極管更容易獲得高擊穿電壓和低漏電流,這很大程度上得益于中間低摻雜的i區。
 
  1. 碳化硅PiN二極管的正向電流特性
  二極管正向偏置時,大量的p+區空穴與n+區電子在電場作用下注入到i區,在i區的兩端分別形成電子與空穴的積累,形成濃度梯度,向i區內部擴散。少子的大量注入,使i區電導增加,產生大電流。PiN二極管的正向電流組成為:

計算公式1 
 
  其中jrp+n-為p+區與i區界面空間電荷區內的復合電流,jrn-n+為i區與n+區界面空間電荷區內的復合電流,jdp+為注入到p+區的電子的擴教電流,jdp為注入到i區的空穴的擴散電流,jdn為注入到i區的電子的擴散電流。當正向偏置處于小電壓階段時,注入到i區的電子、空穴數量較少,此時電流主要為i區兩端p-n結中的復合電流。隨著電壓增大,注入到i區的載流子逐漸增加,在i區的兩p-n結中的復合電流。隨著電壓增大,注入到i區的載流子逐漸增加,在i區的兩端分別形成電子與空穴的積累,電子與空穴在i區的擴散電流越來越明顯。當電壓
大到形成大注入時,注入到i區的少子濃度超過i區的多子濃度,空間電荷區中的復合電流以及從i區注入到p+區的電子電流都可以忽略,此時正向電流主要來自p+區與n+區注入到i區的空穴與電子在i區由于擴散而形成的電流。
 
  根據Sah- Noyce-Shockley的電流傳導理論,正向電流應包括擴散電流和傳導電流兩個部分,如下:
計算公式2 
  jr為復合電流,jd為擴散電流,jro和jdo分別為復合機制與擴散機制的飽和電流密度,q為單位電荷,v為器件所加偏壓,ko為波爾茲曼常數,T為絕對溫度。
 
  2. 碳化硅PiN二極管的正向電壓特性
  二極管正向偏置時,由高摻雜的p+區和n+區注入到i區的電子空穴濃度遠大于i區本身摻雜所提供的載流子濃度時,本征層的電導會大大增強,這一現象稱為電導調制。當注入到i區的載流子擴散長度為i區寬度的一半時,電導調制效率最高,PiN二極管的伏安特性對少子壽命很敏感,因為少數載流子的壽命影響著電導調制的效果。電導調制效果的強弱影響到碳化硅PiN二極管的正向導通電壓。為了降低正向導通電壓,應該在碳化硅外延層中實現較長的載流子壽命以增強電導調制的效果。
 
  PN二極管的正向電壓降組成如下:
計算公式3 
 
  VF為PiN二極管的正向壓降,Vp+contact為p+區歐姆接觸壓降,VM為i區壓降,Vp+n-、Vn-n+分別為PiN二極管兩端p+/n-結和n-/n+結上的壓降,Vsub為襯底壓降。
 
  i區壓降與電導調制的效果有關。據一種寬泛的近似,i區壓降與載流子壽命的關系如下:
計算公式4、5 
 
  K、T、W分別為波爾茲曼常數,絕對溫度和i區寬度。La為雙極擴散長度,計算公式為
計算公式6 
 
  其中,Da與τHL分別為雙極擴散系數與大注入時的載流子壽命,Da計算公式為
計算公式7 
 
雙極載流子遷移率為
計算公式8 
 
  其中,µn、µp分別為i區中電子、空穴的遷移率。
 
  3. 碳化硅PiN二極管的反向電流特性
  根據肖克菜方程,由擴散產生的反向電流為:
計算公式9 
 負號表示電流方向與正向時相反,-js為反向飽和電流密度,Dn、Dp、Ln、Lp分別為電子和空穴的擴散系數和擴散長度,np0、Pno分別為n區與p區的平衡少子濃度。
 
  空間電荷區的產生電流,計算如下:
計算公式10 
  jG為空間電荷區的產生電流,XD為空間電荷區寬度,τg為空間電荷區內產生壽命,
 
  理想情況下,反向電流應為擴散電流與產生電流之和:
計算公式11 
  τn、τp分別為p區與n區中電子與空穴的少子壽命。產生電流jr∝ni,擴散電流jd∝ni2。在常溫條件下,計算得到的產生電流為公式1量級,擴散電流更小,低于公式2,說明了擴散電流對PiN二極管的反向電流貢獻不大,反向電流主要來自空間電荷區的產生電流。在實際器件中,影響反向電流大小的因素很多,表面特性、材料缺陷以及隧穿所導致的表面和體內漏電流都會使器件的反向電流增大。



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