混合PiN/Schottky二極管的研究

關艷霞，李銀娜

（沈陽工業大學 信息科學與工程學院，遼寧 沈陽 110870）

混合PiN/Schottky二極管的研究

關艷霞，李銀娜

（沈陽工業大學 信息科學與工程學院，遼寧 沈陽 110870）

對混合PiN/Schottky二極管（MPS）進行研究，首先對MPS二極管的工作原理進行了分析，通過對MPS二極管、肖特基二極管、PIN二極管的伏安特性進行模擬，結果表明MPS二極管正向壓降小，電流密度大，反向漏電流小，是一種具有肖特基正向特性和PN結反向特性的新型整流器.可以通過改變肖特基和PN結的面積比來調整MPS二極管的性能，與肖特基二極管和PIN二極管相比具有明顯的優勢，是功率系統不可或缺的功率整流管。

MPS；PiN；Schottky；伏安特性；模擬

電力電子技術的發展使作為電力電子技術重要基礎的電力電子器件得到了廣泛的關注和研究。功率整流管是電力電子器件中結構最簡單，應用最廣泛的一種開關器件。從器件結構上，功率整流管大致可以分為三種：PiN二極管，肖特基二極管（SBD），MPS 二極管（Merged PiN Schottky diodes）。MPS結構將PN結集成在肖特基結構中，在反向應用時PN結的耗盡區將肖特基界面屏蔽于高場之外，避免了肖特基勢壘降低效應，使反向漏電流大大減少，而正向導電特性仍然由肖特基接觸決定。由于MPS二極管在功率系統中有很好的應用前景，所以有必要對MPS二極管進行較深入的研究，優化MPS二極管的結構參數，并與肖特基二極管，PIN二極管進行比較，證明MPS二極管的相對優勢[1]。

1 MPS二極管工作原理

MPS整流管的結構中包含了肖特基二極管和PIN二極管的結構，所以工作原理也基于這兩種二極管之間。圖1為MPS二極管元胞示意圖。半導體器件中的載流子濃度對器件的工作特性有很大的影響。MPS中，施加正向偏置電壓時，存在3個過程。第一個過程，施加正向電壓開始，P+區開始向肖特基區域注入空穴，隨著電壓的升高注入量隨之增大，其中載流子的濃度分布發生變化。同時，PN結勢壘和肖特基勢壘下降，肖特基和PN結均未導通，所以漂移區的電子濃度梯度近似為零；第二個過程，隨著電壓的繼續升高，肖特基區域首先導通，漂移區和溝道區的少數載流子濃度梯度不再為零，外延層的電子通過肖特基區域形成的溝道進入金屬，形成電流；第三個過程，繼續升高正向電壓，PN結導通，由P+區向溝道區注入的空穴在數值上超過襯底雜質濃度，呈現出混合整流的特性，既有肖特基整流特性，同時具有PN結整流特性。同時多數載流子在電場和陰極高低結的作用下產生積累，在數量上與空穴幾乎相等，此時電導調制區形成，隨著電壓的進一步升高，注人的空穴數量不斷增大，積累的電子濃度也不斷增大,電導調制區開始向肖特基勢壘區擴展,一直擴展到肖特基勢壘區在以后,漂移區的載流子濃度變化緩慢,而在溝道區和肖特基勢壘區的載流子濃度變化很快,這就是MPS與其他器件的最大不同[2-3]。

2 MPS二極管結構參數設計

2.1 結構參數設計思想

圖1 MPS二極管元胞示意圖Fig.1 MPS diode cell schematic

對MPS二極管的結構及工作原理分析知，MPS二極管兩端加高反向電壓時的大部分電壓由PiN部分承受，此時反向特性接近PN結，當MPS二極管兩端加正向電壓時，此時正向特性與肖特基二極管的正向電學特性相似，所以再設計MPS二極管反向耐壓時可以參考PiN二極管的擊穿電壓，通過調整N-區的厚度和摻雜濃度，使MPS二極管的反向擊穿電壓接近耐壓指標，再通過調整P+區域和肖特基區域的寬度比使MPS二極管的反向擊穿電壓達到指定的耐壓值。在滿足耐壓的條件下增大P+區的濃度，增大注入效率，增大電導調制效應，從而降低N-區串聯電阻，改善MPS二極管的正向特性和降低功耗[4]。

2.2 關鍵參數N-摻雜濃度

MPS二極管反向時特性接近PiN二極管，而PiN二極管的反向擊穿電壓主要由基區的摻雜濃度和厚度決定。對于功率整流管來說，擊穿電壓一般很高，一般可用單邊突變結來近似計算二極管的雪崩擊穿電壓。對于平行平面結，單邊突變P+N-結的情況，施加反向電壓后，空間電荷區的展寬主要在輕摻雜區一側。當輕摻雜一側的寬度大于雪崩擊穿時，空間電荷區在該側展寬時，其雪崩擊穿電壓由輕摻雜區的摻雜濃度決定。

VB=5.34×1013ND-3/4=5.34×1013（qμnρ）3/4（1）

若電子遷移率 μn取為 1 350～1 550 cm2/V.S時，式（1）可寫成，此式便是國內功率半導體器件生產中實際常用的一個公式，將反向耐壓值代入式（1）中，得摻雜濃度ND。

2.3 關鍵參數N-區厚度WN

由晶體管原理知道單邊突變結P+N-的空間電荷區在N-區側的展寬為

式中A=0.531

1）確定 N-區的厚度WN

為了確保非穿通，應取WN＞1.2XmB，經驗上WN取值為：

2）將ND代入得WN

3 特性模擬與分析

在反向耐壓都是1 300 V的MPS二極管，肖特基二極管和PIN二極管模擬中，測得他們的正向特性曲線如圖2和3所示。

圖2 MPS和PIN二極管正向特性Fig.2 Forward characteristic of MPS and PIN diode

圖3 肖特基二極管正向特性Fig.3 Reverse characteristic of MPS and PIN diode

由圖中可以看出MPS二極管的正向開啟電壓與肖特基二極管相比相差無幾，但比PIN二極管要小得多，這是因為MPS結構在正向偏壓下，起主要作用的是肖特基，他決定了開啟電壓，也就是說MPS二極管的正向特性接近肖特基二極管，具有好的正向特性[5]。

圖3是在相同外部條件下肖特基寬度變化對MPS二極管正向特性的影響，從圖3我們可以發現隨著肖特基寬度的增大，MPS正向電流密度逐漸增大，當肖特基的寬度大到一定程度時，MPS的特性很接近于肖特基二極管，當PN結的寬度大到一定程度時，MPS的特性接近于PIN二極管[6]。

圖4是在相同外部條件下肖特基寬度變化對MPS二極管反向特性的影響，MPS二極管的擊穿電壓與PN結接近，但比肖特基二極管的擊穿電壓要大很多，這是因為MPS結構在反偏電壓下，起主要作用的是PN結，它決定了擊穿電壓，而且PN結的擊穿特性比肖特基二極管要好得多。從圖4中我們可以發現隨著肖特寬度的減小，MPS反向耐壓逐漸增大，反向漏電流減小，即當肖特基寬度的減小時，MPS二極管的特性接近PIN二極管，當肖特基區的寬度增大時，MPS的擊穿電壓逐漸減少，向肖特基二極管靠近[7-8]。

圖4 肖特基寬度的變化對MPS正向特性的影響Fig.4 Changes of the width of the Schottky effect on the forward characteristics of MPS

圖5 肖特基寬度的變化對MPS反向特性的影響Fig.5 Changes of the width of the Schottky effect on the reverse characteristics of MPS

4 結 論

文中利用Silvaco軟件對混合PiN/Schottky二極管（MPS）的特性[9]進行了模擬，結果表明，MPS二極管的工作原理是正向時肖特基起主要作用，反向時，PN結起主要作用。MPS結構綜合了肖特基結構和PN結結構的優點，具有很好的正向和反向特性，即正向壓降小，正向電流密度大，反向漏電流小，擊穿電壓高，并且可以通過增大肖特基的面積比來提高其正向特性，又可以通過增加PN結的面積比來提高其反向特性。所有這些特性都有助于建立一個功耗小，尺寸小，效率高的功率系統。MPS二極管是理想的功率整流器。

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Study of merged PiN/Schottky diode（MPS）

GUAN Yan-xia，LI Yin-na
（College of Information Science and Engineering， Shenyang University of Technology， Shenyang 110870， China）

The main purpose of this paper is to study the merged PiN/Schottky diode （MPS）.Firstly，the MPS diode operating principle is analyzed ，Though the volt-ampere characteristics of merged PiN/Schottky diode （MPS）、Schottky diode、PiN diode were simulated，the results show that the MPS diode forward voltage drop is small，current density is big，reverse leakage is small，is a kind of Schottky forward characteristics and PN junction reverse characteristics of the new rectifier.By changing Schottky and PN junction area ratio to adjust the performance of MPS diode，compared with Schottky diode and PiN diode has obvious advantages，is an indispensable power rectifier of power system.

MPS； PiN； Schottky； Volt-ampere characteristics； simulate

TN31

A

1674-6236（2014）15-0140-03

2013-10-27 稿件編號：201310209

關艷霞（1963—），女，遼寧海城人，博士，副教授。研究方向：電力半導體器件和微機電系統。