论文研究-一种具有IDEE-FCE结构的高压FSRD .pdf

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一种具有IDEE-FCE结构的高压FSRD,王彩琳,刘杰,本文提出了一种具有注入效率逆增长阳极(IDEE)和场抽取电荷阴极(FCE)的高压快软恢复二极管(FSRD)新结构(IDEE-FCE), 采用Sentaurus-TCAD��
山国武花论文在丝 对于阳极结构,其电了电流密度与沟道电阻和面积有关,可由卜式表 式中是阳极结的电压降,表示沟道的电阻,表示沟道的面积 阳极空穴注入效率γ与沟道电阻和面积和阳极结的电压降有关。 随阳极正向电压的增加,阳极电流也不断增大。由于区掺杂浓度高,从区注入 区的空穴数较多,从基区注入区电子数较少,使得,故空穴注入效率γ较高。但 由于区内空穴与电子的复合很强,导致空穴注入效率随阳极电流增加急剧卜降。在大阳 极电流下,由于沟道电阻的限制,电子电流增加的幅度有限,由()式中第二项 减小,导致空穴的注入效率随电流的增加而增大,空穴注入效率会逐渐增大,使得阳 极空六注入效率出现逆转 采用阴极,在二极管反向恢复期间,区会向区注入空穴,以调整阴极结的 电子注入效率,从而改善反向恢复末期的载流子浓度分布,增加其反向恢复的软度 特性仿真及其结果分析 结构模型 本文以 的 为例,为了对比研究常规 、普通 普通 及 结构的静、动态特性,分别建立了其结构模型,模型参数如下:器件总厚度都为 μ,宽度为;区掺杂浓度为 ,厚度都为 层掺杂浓度 ,结深μ;阴极区掺杂浓庋 结深μ。阴极区掺杂浓 度 ,结深μ,宽度μ。 卬极区掺杂浓度 ,结深μ, 掺杂窗口宽度;区掺杂浓度 结深μ,掺杂窗口宽度μ 仿真时选取的物理模型包括与掺杂,电场和载流子载流子散射冇关的迁移率模型;与 和碰撞电离有关的载流子复合产生模型;与棼带变窄相关的载流子统计分布; 与温度和掺杂浓度相关的载流子寿命,以及热力学模型等。载流子寿命值取为τ 阳极空穴注入效率 图给出了四种的阳极空穴注入效率γ随阳极电流密度变化曲线。米用普通 阳极结构,阳极空穴注入效率随电流增大而减小,如图中和常规所示。采用 阳极结枃,阳极空穴注入效率随电流增大而宄减小后增大,岀现逆转,如图中 和 所示。相比较而言,尽管和常规都采用了普通阳极,但其阳极空穴注 入效率并不相同。类似的, 和 都采用了 阳极,其阳极空穴注入效率 也有微小的差异,这是由于的阴极电子注入效率降低,导致区复合减弱,使得 的γ随的增加而缓慢下降, 的γ随埤加而缓慢上升。 山国武技论文在丝 1.0 pn-nn+ IDEE 0.9 FCE IDEE-FCE 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 100 200 300 400500 JA(A/cm) 图常规 及 四和结构的阳极空穴注入效率比较 阴极电子注入效率 图给出了四种 的阴极电子注入效率γ随阴极电流密度变化曲线。采用普通 阴极结构,阴极电子注入效率γ始终为,如图中常规和所示;采用极 结构,阴极电子注入效率γ随阴极电流增大先减小后上升,如图中和 所示 相比较而言,尽管和 都采用了普通阴极,但 的明极电子注入效 率在小电流下随阴极电流増大而下降的速度较慢,这是因为 的阳极空穴注入效率y 在低电流密度下较低,使得区复合减弱所致 1.00 DEE 0.95 IDEE-FCE 0.90 0.85 m99:9: FCE 0.80 100 200 300 400 500 cm 图常规 及 四和结构的阴极电子注入效率比较 上述结果衣明,阳极空穴注入效率随阳极电沇密度的增加会出现逆转。在高电流 下,空穴注入效率高,有利于提高器件的抗浪涌电流能力:在中小电流下,空穴注入效率低, 有利于降低 的反向恢复的峰值电流,降低反向恢复功耗。阴极的电子注入 效率随阴极电流密度的减小会逐渐增加,有利于增加的反向恢复末期阴极侧的载流子 浓度,实现软恢复 山国武技论文在丝 特性分析 反向击穿特性 图是四种结构 的反向击穿特性曲线。由图可见,常规 及 的反向击穿特性曲线几乎完全重合,在 的漏电流下,阻断电压可达到 考虑到设计余量,均满足 的耐压要求 1E3 pn nn+ .---DE 1E4 1E5 d1E6: 20C0 3000 4000 Voltage 图常规 及 四和 的反向阻断曲线 正向导通特性 图是常规 及 川种结构的 正向导通曲线。可见, 在相同的电流密度下,常规和的正向压降明显低于与 的正向压 降。并且,常规和 与 的止向导通特性由线分别相交,交点处 对应的电流密度约为 。在此电流密度以下,的正向压降比 的小、 常规的正向压降比的小;在此电流密度以上 的正向压降比小 的正向压降比常规小。在高电流密度下正向压降低,有利于提高的抗 浪涌电流能力。这说明,采用 和 结构的 抗浪涌电流能力较强 300 DEE IDEE-FCE FCE 200 Q100 0 图常规 及 四和的正向导通曲线比较 山国武花论文在丝 浪涌特性 采用半正弦波,对四种结构的抗浪涌特性进行仿真,结果如图所示。图 中点线、点画线、实线及虚线分别依次代表 常规 及 结 构在浪涌电流密度峰值为 时的浪涌电流曲线。由图可见 在不同的浪涌电流窣度峰值下 的浪涌电流曲线相对更靠近轴, 浪涌电流曲线相对常规更靠近轴,这说明采用 阳极可以提高 的抗浪涌 电流能力。这与文献报道的结果一致。 m-nn+ IDEE-FCE 800 IDEE FCE JscM=500、700、900(Acm^2) 图常规 及 四种 的浪涌电流特性曲线比较 图是常规 及 四种结构的瞬时功耗密度随浪涌电 流密度的变化比较。可见,随浪涌电流密度峰值不断増加时,四种结构的最人 瞬时功耗密度也不断增大。相比较而言 的最大瞬时功耗密度上升幅度最小,在 约为 ; 的最大瞵时功耗密度上升幅度最大,在 约为 。这表明,采用 阳极可以有效降低浪涌电流卜的功耗密度。 图常规 及 四种 的功耗密度比较 山国武技文在线 反向恢复特性 图是常规 及 四种结构的反向恢复特性曲线,其 测试条件为: 。由图可见 的反向恢复软度明显要比常规和的大,且反向峰值电压也比常规和 的小。相比较而言, 的反向峰值电流密度也比的更小 IDEE FCE 0 200 4e-O7 6e-07 8e07 1e-06 Time(s) 图常规 及 四种结构的反向恢复特性曲线比较 表给出了常规 及 四种结构的 反向恢复特性参数 比较。相比较而言,常规的反向恢复特性最差,不仅反向恢复软度小,而且反向峰值 电流密度也高 的反向恢复特性也比较差,但其反向峰值电流密度较小 这说明采用阴极结构,可以有效地改善 的反冋恢复特性,获得较高的软度。 表常规 及 四种结构的 反向恢复特性参数比较 器件结构 常规结构 结构 结构 结构 特性参数 反向峰值电流密度 反向峰值电压 反向恢复时间 软度因子 图是常规 及 四种结构的 在反向恢复期间电压达 到峰值时的內部纵向电场分布曲线。可见,当反向电压上升到峰值时,这四种结构的 内部的纵向电场分布并不相同。相比较而言,常规和在结和结处的峰值 电场强度都比较大,并且已经超过临界电场强度,电场分布也变成“吊床”形; 和 在结和结处的电场强度较低,电场分布仍保持“梯形”分布。说明此吋常规 和 已经发生了动态雪崩 和 则由于结处的峰值电场强度较 低,而不会发生动态雪崩 上述对比分析表明,将阳极和阴极有效相结合,在不影响其耐压的前提下, 可以在导通特性、反向恢复特性之间取得良好的折衷,同时可以有效的提高的抗浪涌 山国武花论文在丝 电流和动态雪崩能力,降低其功耗密度。 Pn-nn+ ----FCe 206+05 IDEE IDEE-FCE 8 0.0e+001 0 100 200 300 Depth(um) 图常规 及 四种结构的反向恢复期间内部纵向电场强度分布比较 结论 本文研究了 新结构的阳极空穴注入效率和阴极电子注入效率,对比分析了具 有常规 及 四种结构的 的静、动态特性。结果表明,采 用 结构,阳极空穴注入效率会随阳极电流增人而发生出现逆转,小电流下空穴注 入效率低,人电流下空穴注入效率高;阴极电子注入效率会随阴极电流增人而下降,从而使 得不仅具有较低正向压降和较髙的反向恢复软度,同时具有较强的抗浪涌电流和动态 雪崩的能力。 参考文献 王彩琳电力半导体新器件及其制造技术北京:机械工业出版社 张磊高压深调整区 极管动态特性的研究西安:西安理⊥大学学位论文,

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