二極管的工藝設計理論

趙永紅

（哈爾濱工大華生電子有限公司，黑龍江 哈爾濱 150080）

二極管P-N 結的擊穿電壓特性不僅是二極管本事的重要參數，也是設計半導體器件設計的基礎。而半導體P-N 結擊穿主要以齊納擊穿和雪崩擊穿兩種形式。而產生擊穿的主要原因是，在強電場的作用下大大地增加了導帶電子和滿帶空穴的數目，引起反向電流的急劇增加，引起P-N 結擊穿。所以二極管設計時首先確認其反向擊穿電壓。

1 襯底雜質電阻率的確認

二極管P-N 結的反向擊穿電壓體現了雜質的內部運動，因此雜質濃度對擊穿電壓起到決定性的作用。擊穿電壓與高阻區雜質濃度NB 成反比（如圖1）。根據雜質濃度與擊穿電壓關系中可以得出擊穿電壓與雜質濃度成反比。

圖1 雜質濃度與擊穿電壓關系

對于突破結，擊穿電壓公式：

對于線性緩變結，擊穿電壓公式：

在二極管工藝設計時，根據突變結擊穿電壓公式，可確認高阻區的雜質濃度。則可以確認襯底雜質的電阻率。而從線性緩變結公式可看成擊穿電壓與雜質濃度梯度ajc有關。公式如下:

式中：NB——高阻區雜質濃度

NS——擴散表面濃度

Xjc——擴散結深

注：結深小于5 微米時系數2 為1。

如果雜質濃度確定，根據雜質濃度梯度公式，可得出二極管擴散結深。半導體器件設計擊穿電壓時，一般擊穿電壓VBR=1.2～1.5VRWM

其中，式中VRWM:反向工作峰值電壓或最高反向工作電壓。

2 外延層厚度的確認

根據線性緩變結擊穿電壓公式可得出擊穿電壓與雜質濃度成正比，擴散結越深擊穿電壓越高。當P-N 結加反向偏壓是，P-N 結空間電荷區發生變化。

一般突變結空間電荷區寬度：

線性緩變結空間電荷區寬度：

所以工藝設計時確認雜質外延長厚度為：

外延長厚度=結深Xj+空間電荷區寬度W+襯底反擴散深度通常襯底反擴散深度為2μm

3 P-N 結的面積

式中:IQ——平均整流電流

J——勢壘結電流密度

勢壘結電流密度的選取參照如下：

結型二極管正向電流IF 與雜質濃度N 有如下關系

P+-N 結

IF=Aq

式中：

A——P-N 結有效面積

q——電子電荷=1.6×10-19庫侖=4.8×10-10靜電庫侖

Lp——N 區中空穴的擴散長度

τp——N 區中空穴的壽命

ni——本征載流子濃度

Nn——N 區雜質濃度

e——自然對數

k——玻爾茲曼常數=1.38×10-16爾格/°K

T——絕對溫度

V——電壓

N+-P 結

IF=Aq

式中：

Ln——P 區中電子的擴散長度

τn——P 區中電子的壽命

Np——P 區雜質濃度

實際測試結果（圖1）也與上式相符。

圖2

●正向壓降VF≤1.2V 時，當高阻區雜質濃度Nn(或Np)在1014cm-3～1016cm-3，J 可以取100A/cm2～130A/cm2。

●正向壓降VF≤1.2V 時，當高阻區雜質濃度Nn(或Np)在1016cm-3～1018cm-3時，J 可以取80A/cm2～120A/cm2。

●正向壓降VF在1V 或1V 以內時，J 可以取80A/cm2左右。高壓整流管（VBR≥1500V 包括高壓硅堆），J 可以取30A/cm2～50A/cm2。

4 二極管結電容

二極管在低頻下，具有單向導電作用。當工作在高頻是，由于二極管P-N 結電容特性（即二極管電容效應），這種特性使二極管單向導電特性更差。所以二極管在高頻作用下，必須考慮P-N 結電容的影響。而P-N 結電容通常分為擴散電容和勢壘電容。而勢壘電容是半導體設計時考慮重點。所以本文以勢壘電容來說明P-N 結電容與設計關系，得出P-N 結電容關系式如下：對于突變結勢壘電容：

對于線性緩變結勢壘電容：

根據P-N 結電容關系式可知，P-N 結電容與襯底雜質濃度和反向擊穿電壓有關，襯底雜質濃度約低，單位面積的結電容越小。反向擊穿電壓越高，單位面積的P-N 結電容越小。