摘要:敘述了國內(nèi)外對PiN器件雪崩電壓理論極限的論述,詳細說明了用ni=ND作為判定PiN器件雪崩電壓理論極限依據(jù)的合理性。進而說明了這一研究的重要意義。 關(guān)鍵詞:PiN二極管、雪崩、本征熱激發(fā)載流子濃度、電壓極限 Abstract: Keyword:
0、功率半導(dǎo)體器件如整流二極管、晶閘管等的反向(即阻斷)電壓到底能做多高?這是所有功率半導(dǎo)體工作者都關(guān)心的問題。
早在1977年,國際著名功率半導(dǎo)體專家高佑長【1】就提出了功率半導(dǎo)體器件耐壓的理論極限的問題。他以基區(qū)寬度對擴散長度的比值為參變量,確立了一個高壓整流管及晶閘管的理論極限的實用原則。并在正向壓降不超過2.5V的前提下,晶閘管最高雪崩電壓給到4250V【1】,取得和當(dāng)時市售晶閘管參數(shù)的一致。
1、以往的常規(guī)理論
功率半導(dǎo)體器件雪崩電壓的理論極限的問題,在我國權(quán)威的半導(dǎo)體物理學(xué)中,早已有定論。如文獻【2】所述:一般半導(dǎo)體器件中,載流子主要來源于雜質(zhì)電離,而將本征激發(fā)忽略不計。在本征載流子濃度沒有超過雜質(zhì)電離所提供的載流子濃度的溫度范圍,如果雜質(zhì)全部電離,載流子濃度是一定的,器件就能穩(wěn)定工作。但是隨著溫度的升高,本征載流子濃度迅速地增加。當(dāng)溫度高到本征激發(fā)占主要地位,器件將不能正常工作。并認(rèn)為:在保持載流子主要來源于雜質(zhì)電離時,要求本征載流子濃度至少比雜質(zhì)濃度低一個數(shù)量級。
顯然這個電壓太低了。實際上,早在1970年就有10000V超高壓晶閘管的報導(dǎo)【5】;而高壓直流輸電已大量用到8500V的晶閘管;日本東芝于1990年還有單只12000V晶閘管的報導(dǎo)【6】。顯然整流二極管的耐壓就更高了,考慮到正向PN結(jié)對反向PN結(jié)的作用,晶閘管電壓至多為二極管電壓的80%,按文獻【6】晶閘管已達12000V,那么整流二極管至少可以作到15000V。和VB=2255V相比,高了近7倍。說明上述傳統(tǒng)理論需要大大修正了。
2、硅器件雪崩電壓的極限理論的熱議
2.1、用本征熱激發(fā)載流子濃度ni來討論硅器件雪崩電壓的極限理論,是由我國著名電力電子專家王正元于1981年提出來的【7】。他也采用文獻【3】的公式來計算本征熱激發(fā)載流子濃度,并認(rèn)為器件在襯底濃度ND=ni時的對應(yīng)溫度,是一個臨界溫度,并用符號TK來表示。到了臨界溫度,熱激發(fā)的載流子將“淹沒”了摻雜載流子,這時基區(qū)呈本征,不再有導(dǎo)電類型的差別,PN結(jié)也將失去反向阻斷能力。
盡管如此,文獻【7】還是運用了ND=ni,而不是至少高一個數(shù)量級作為PiN整流二極管的最高理論極限。按著這一想法,該文計算出欲制造10000V的整流二極管,其電阻率要超過500歐姆-厘米。
該文表1給出在127℃時,運用公式(2)計算出:ni=7.49×1012cm-3,我們將這個結(jié)果代入公式(3),經(jīng)計算得:VB=11795V。而在125℃時,應(yīng)有ND=6.8×1012cm-3,再運用公式(3)計算出:VB=12681V。這已和文獻【6】的實際結(jié)果接近了。
說明用ND=ni來表述PiN二極管耐壓的理論極限很有參考價值。
2.2、我國著名功率半導(dǎo)體專家孟慶宗【8】運用國際著名半導(dǎo)體專家S.K.Ghandhi給出的本征熱激發(fā)載流子濃度ni公式【4】,再議硅器件雪崩電壓的極限理論。S.K.Ghandhi給出的ni公式是:
在ND=ni的前提下的二極管極限電壓的公式:
VB=B×TK –g ············(5)
(5)式中的常數(shù)為:g=11.2,B=3.219×1033。
在125℃下,用公式(4)得:ni=2.8×1012cm-3。將其代入公式(3),經(jīng)計算得;VB=24670V≈24000V。
將TK=125+273=398代入公式(5)得:VB=24500V≈24000V。兩者計算基本一致,誤差來自取值近似不同所致。
顯然,這個結(jié)果和目前能商品化的器件水平,還有一定距離,這是否可以定為今后的努力方向。注意到文獻(7)(8)都沒有全盤否認(rèn)傳統(tǒng)的常規(guī)理論【2】,說明完全認(rèn)為ND=ni的前提,還是有所保留。
2.3、文獻【10】進一步從理論和實驗相結(jié)合的角度,論證了在ni=ND時PN結(jié)仍存在的道理。證明如下:
假設(shè)N區(qū)在熱平衡時,電子、空穴濃度各為nno、pno,由電中性條件得:
nno=pno+ ND, ············(6)
式中:ND——N區(qū)攙雜濃度
由于硅半導(dǎo)體為非簡并半導(dǎo)體,有:
nno×pno =ni2 =ND2 ············(7)
聯(lián)立式(6)和式(7),求出nno=1.618 ND, pno=0.618 ND。
P區(qū)攙雜濃度為NA,設(shè)在本征溫度下熱平衡時P區(qū)的載流子濃度為npo、ppo。對于硅整流管,NA為1016~1020cm-3數(shù)量級;ND為1012~1014cm-3數(shù)量級,在本征溫度時ni=ND<
說明P區(qū)、N區(qū)的載流子濃度相差仍很大,必將因擴散而形成空間電荷區(qū),即說明了ni=ND時PN結(jié)存在。
這為TK時用ni=ND作為PiN二極管極限電壓提供了理論依據(jù)。
2.4、高溫舉例
當(dāng)高溫230℃時,再用上述理論來計算PiN二極管的極限電壓。
對應(yīng)230℃,其絕對溫標(biāo)為:503°K,將其代入公式(2)得:
ni=ND=1.1×1014cm-3,代入公式(3)得:VB=1570V。僅在國內(nèi)就早已有200V的230℃的整流二極管問世【11】。
我們再用250℃,來計算PiN二極管的極限電壓。
250℃時,其絕對溫標(biāo)為:523°K,將其代入公式(2)得:
ni=ND=6.9×1014cm-3,代入公式(3)得:VB=398V。而我們于2010年生產(chǎn)的電阻焊機用200V二極管,其等效結(jié)溫已達250℃。說明實際制造的器件已接近極限水平。相信隨著市場的不斷需求和材料、工藝水平的不斷創(chuàng)新改造,必將有更高溫度、更高耐壓的雪崩二極管器件誕生。
3、后記
所謂極限電壓,應(yīng)該是這樣一種電壓:它比目前器件電壓水平高,但至少不是高一個數(shù)量級,從理論上要基本說得通,即經(jīng)過努力有希望達到的那么一種渴望電壓。
不言而喻,關(guān)于硅器件的雪崩電壓極限的討論有非常重要的意義。它為高壓二極管、高壓晶閘管等各種功率半導(dǎo)體器件耐壓極限提供了依據(jù),特別是為各種高溫功率半導(dǎo)體器件的研制提供了理論根據(jù)。
這里討論的功率半導(dǎo)體器件耐壓極限,僅僅是抓住其最關(guān)鍵最主要的影響因素。實際上還必須考慮單晶材料的性能、截面電阻率的均勻性、通態(tài)損耗功率的限制、浪涌電流的限制、表面造型鈍化保護以及動態(tài)參數(shù)等的影響,這才是全面地對硅器件的雪崩電壓極限的論證。
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