第1章 功率半导体器件基础

1.1 Si功率器件

1.1.1 Si功率二极管

1.1.1.1 pn结

pn结是构成半导体器件的基本结构，是通过对p型半导体掺杂形成n区或者对n型半导体掺杂形成p区形成的，包含p区、n区和空间电荷区（耗尽层）三个部分，其结构如图1-1所示。

以对p型半导体通过掺杂形成n区为例，由于存在较大的浓度差，p区的空穴（多子）会向n区扩散，n区的电子（多子）会向p区扩散。则在交界面附近，n区内掺杂的施主元素（通常为磷）由于失去电子而成为电离施主，带正电荷；p区内掺杂的受主元素（通常为硼）得到电子而成为电离受主，带负电荷。存在电离施主和电离受主的区域形成空间电荷区，进而形成内建电场，电场方向由电离施主指向电离受主，即由n区指向p区。

空穴和电子会在内建电场的作用下进行漂移运动，空穴朝p区漂移，电子朝n区漂移，漂移的方向与扩散的方向相反。当电子、空穴的扩散和漂移达到动态平衡时，空间电荷区宽度固定。当对pn结施加外加电场时，空间电荷区的宽度会发生变化：当在p区加正电压时，外加电场与内建电场方向相反，空穴漂移减弱，扩散相对加强，空间电荷区会变窄；同理，当在p区加负电压时，外加电场与内建电场方向相同，空穴漂移加强，扩散相对减弱，空间电荷区会变宽。

二极管最基本的结构就是上文所介绍的pn结，p区端为阳极、n区端为阴极。当在二极管两端施加反向电压时，pn结反向偏置，空间电荷区变宽并承担反向电压，扩散运动被大大削弱，漂移运动占主导地位从而形成反向漏电流，二极管处于阻断状态。当在二极管两端施加正向电压时，pn结正向偏置，p区电势升高；当所加正向电压大于空间电荷区内建电场产生的势垒电压后，扩散运动将占主导从而形成正向电流，此时二极管导通。

1.1.1.2 功率二极管种类与结构

1.pin二极管和快恢复二极管

pn结二极管能够承受的反向电压较小，不适合作为功率二极管使用。为了提高其耐压值，在重掺杂的p+区和n+区之间增加一层较厚的低掺杂n-型高阻区作为耐压层，成为pin二极管，如图1-2所示。由于耐压层掺杂浓度较低，相比高掺杂可看作是本征（intrinsic）状态，pin二极管因此得名。

当其承受反压时，p+-n-结势垒升高，空间电荷区变宽且主要向低掺杂的n-区展宽，由于掺杂浓度低、厚度宽，n-区可以承受较高的反向电压。当对其施加正向电压时，p+-n-结势垒降低，空间电荷区变窄，p+区向n-区注入空穴，n+区向n-区注入电子，在n-区发生电导调制效应，从而在导通大电流时能够获得较小的导通压降。结合以上两点可知，pin二极管在关断时漏电流较小，能够在承受高反向电压的同时，具有良好的导通特性。

当对正向导通的二极管突然加反压时，二极管不会立刻关断，而是会经过反向恢复过程，如图1-3所示。二极管正向导通时，其正向电流是多子的扩散电流，n-区充满电子和空穴。要将二极管关断就需要将n-区的电子抽取回到n+区、空穴抽取回到p+区，这就使得在电流降至零后仍然有反向恢复电流存在。随着多子浓度不断降低，空间电荷区形成并不断展宽，反向恢复电流逐渐减小至零并承受反向电压，二极管关断完成。

由于pin二极管是双极型器件，导通时载流子浓度较高，不容易从较厚的n-区中抽走，故其反向恢复时间较长。因此，pin二极管适用于中高压、对二极管反向恢复损耗不敏感的应用中，如用作整流二极管。

为了改善pin二极管的反向恢复特性，改变其阳极结构，从而控制阳极空穴注入效率、降低导通期间的少子注入，成为快恢复二极管，即FRD（Fast Recovery Diode）。

常见的快恢复二极管的结构有弱阳极结构和SPEED（Self-adjustable p+ Emitter Efficiency Diode）结构，如图1-4所示。弱阳极结构是通过降低p区掺杂浓度来降低阳极注入效率，从而提高反向恢复速度。SPEED结构是将阳极改为在低掺杂p区中嵌入高掺杂p+区，在导通电流较小时，由p区注入空穴，注入效率低，有利于提高反向恢复速度；在导通电流较大时，p+区开始注入空穴，空穴注入效率高，有利于提高器件抗浪涌电流的能力。除了改变阳极结构之外，还可以通过质子辐照在阳极p+区引入局部的复合中心来控制载流子寿命，以提高反向恢复速度，但这样做会显著增大漏电流。

由于FRD的反向恢复时间短，具有较好的反向恢复特性，因此往往用作续流二极管。在实际应用中，除了要求反向恢复速度快，还需要恢复特性“软”，即反向恢复电流衰减平滑，不出现突然的、快速的跌落。这就需要改进二极管的阴极结构，来调整反向恢复末期的载流子浓度。

2.肖特基二极管

与传统基于pn结的二极管不同，肖特基二极管是通过金属-半导体结的势垒实现的，以其发明人Walter Schottky命名为SBD（Schottky Barrier Diode）。功率肖特基二极管包括普通功率肖特基二极管、结势垒控制的肖特基二极管、肖特基-pin复合二极管、超结-肖特基二极管。

（1）普通功率肖特基二极管

普通功率肖特基二极管是将pin二极管的p+区换为金属作为阳极形成的，其结构如图1-5所示。肖特基二极管是单极型器件，只由电子导电，故开关速度更快、反向恢复特性更优。此外，肖特基结（金属-半导体结）的势垒高度比pn结的低，因此肖特基二极管的正向开启电压只有0.3V左右，比pn二极管的0.7V更低，故能大幅降低导通损耗。但同时也导致了其击穿电压低、漏电流大，因此适用于中低压应用场合。需要注意的是，尽管肖特基结的势垒高度低，但肖特基二极管是单极型器件，不存在电导调制效应，在导通电流较大时，漂移区正向压降仍会很高，这也限制了其在大电流场合的应用。

（2）结势垒控制的肖特基二极管

结势垒控制的肖特基二极管，即JBS二极管（Junction Barrier Schottky Diode），是在形成肖特基结之前，在n-区上方间隔形成p区，p区与下方的n-和n+区形成pin二极管结构，因此可将JBS看作是普通肖特基二极管与pin二极管的并联，如图1-6所示。正向导通时，肖特基结势垒低，导通压降小；反向阻断时，间隔形成的p区与阳极金属组成JFET结构，在反向电压下，p区与n-区形成的空间电荷区展宽，进而连在一起将肖特基结屏蔽起来，此时主要由pin二极管起作用，有利于阻断电压的提高。

（3）肖特基-pin复合二极管

普通肖特基二极管和pin二极管分别具有快反向恢复和大功率、高耐压的特点，将两者结合发展出的肖特基-pin复合二极管兼顾两方面的优点，常见结构有MPS结构、TOPS结构和SFD结构，如图1-7所示。

MPS（Merged PiN Schottky）结构与JBS类似，通过在普通SBD的n-区生长若干p+区，产生纵向的pin结构。MPS的p区结深相对JBS较深，导通电流较小时，pin二极管不导通；导通电流较大时，p+区会向n-区注入空穴，产生电导调制效应使得导通压降小。承受反向电压时，p+-n-结空间电荷区会扩展，通过JFET效应将肖特基结屏蔽起来，从而提高击穿电压。

TOPS（Trench Oxide PiN Schottky）二极管通过先挖槽，离子注入形成p区，再依次填入多晶硅和二氧化硅的方式，使靠近阳极侧的空穴浓度进一步降低。

SFD（Stereotactic Field Diode）二极管通过使用Al-Si代替MPS的金属阳极，在p+区之间形成一层薄薄的p-区，以控制阳极注入效率，这样做在优化反向恢复特性的同时，提高器件耐压能力。

（4）超结-肖特基二极管

超结-肖特基二极管，即SJ-SBD（Super Junction Schottky Barrier Diode），其阳极和阴极均为金属电极，两极之间为相互平行间隔的p区和n区，对阳极附近p区和阴极附近n区进行重掺杂，与极板形成欧姆接触，轻掺杂区与极板形成肖特基结，如图1-8所示。在导通时通过纵向的肖特基结降低正向压降，在关断时通过超结结构形成横向电场，提高击穿电压、降低漏电流。