碳化硅PiN二极管正向电压及正反向电流特性
作者：海飞乐技术 时间：2018-07-24 18:08
与普通pn结二极管不同,PiN二极管在两端的p型与n型高掺杂之间增加了一个低掺杂层,整个结构分三部分,p+区、i区和n+区。i区既可以是n型掺杂也可以是p型掺杂。与pn结二极管一样,PiN二极管内部电子与空穴均参与输运,属于双极器件。在PiN二极管中,i区中的少子特性很大程度上决定整个器件的直流特性。
由于i区的存在,零偏压时,PiN二极管处于截止状态,小正向电压阶段(小于开启电压),器件有极小的正向电流,当正向电压达到导通电压后,正向电流剧增。一般的,PiN二极管的导通电压比SBD二极管要高,主要是i区的存在,增加了开态电阻Ron。虽然i层会造成电阻增大,不过当器件处于正向偏置大注入状态时,i区中存在大量由两端高掺杂的p+区和n+区注入的电子和空穴,从而极大地提高了i区的载流子浓度,大大降低i区的电阻,这种电导调制效应可以带给器件正向特性的改善。碳化硅的高临界击穿电场使得PiN中间的i层可以做得很薄，加上碳化硅中较高的载流子饱和迁移速率,令碳化硅PiN二极管可以具有很好的开关特性。与SBD二极管相比,PiN二极管更容易获得高击穿电压和低漏电流,这很大程度上得益于中间低掺杂的i区。
1. 碳化硅PiN二极管的正向电流特性
二极管正向偏置时,大量的p+区空穴与n+区电子在电场作用下注入到i区,在i区的两端分别形成电子与空穴的积累,形成浓度梯度,向i区内部扩散。少子的大量注入,使i区电导增加,产生大电流。PiN二极管的正向电流组成为:
其中jrp+n-为p+区与i区界面空间电荷区内的复合电流,jrn-n+为i区与n+区界面空间电荷区内的复合电流,jdp+为注入到p+区的电子的扩教电流,jdp为注入到i区的空穴的扩散电流,jdn为注入到i区的电子的扩散电流。当正向偏置处于小电压阶段时,注入到i区的电子、空穴数量较少,此时电流主要为i区两端p-n结中的复合电流。随着电压增大,注入到i区的载流子逐渐增加,在i区的两p-n结中的复合电流。随着电压增大,注入到i区的载流子逐渐增加,在i区的两端分别形成电子与空穴的积累,电子与空穴在i区的扩散电流越来越明显。当电压
大到形成大注入时,注入到i区的少子浓度超过i区的多子浓度,空间电荷区中的复合电流以及从i区注入到p+区的电子电流都可以忽略,此时正向电流主要来自p+区与n+区注入到i区的空穴与电子在i区由于扩散而形成的电流。
根据Sah- Noyce-Shockley的电流传导理论,正向电流应包括扩散电流和传导电流两个部分,如下:
2. 碳化硅PiN二极管的正向电压特性
二极管正向偏置时,由高掺杂的p+区和n+区注入到i区的电子空穴浓度远大于i区本身掺杂所提供的载流子浓度时,本征层的电导会大大增强,这一现象称为电导调制。当注入到i区的载流子扩散长度为i区宽度的一半时,电导调制效率最高,PiN二极管的伏安特性对少子寿命很敏感,因为少数载流子的寿命影响着电导调制的效果。电导调制效果的强弱影响到碳化硅PiN二极管的正向导通电压。为了降低正向导通电压,应该在碳化硅外延层中实现较长的载流子寿命以增强电导调制的效果。
PN二极管的正向电压降组成如下：
VF为PiN二极管的正向压降,Vp+contact为p+区欧姆接触压降,VM为i区压降,Vp+n-、Vn-n+分别为PiN二极管两端p+/n-结和n-/n+结上的压降,Vsub为衬底压降。
i区压降与电导调制的效果有关。据一种宽泛的近似,i区压降与载流子寿命的关系如下:
K、T、W分别为波尔兹曼常数,绝对温度和i区宽度。La为双极扩散长度,计算公式为
其中,Da与τHL分别为双极扩散系数与大注入时的载流子寿命,Da计算公式为
双极载流子迁移率为
其中,µn、µp分别为i区中电子、空穴的迁移率。
3. 碳化硅PiN二极管的反向电流特性
根据肖克菜方程,由扩散产生的反向电流为:
空间电荷区的产生电流,计算如下：
理想情况下,反向电流应为扩散电流与产生电流之和：
量级,扩散电流更小,低于
,说明了扩散电流对PiN二极管的反向电流贡献不大,反向电流主要来自空间电荷区的产生电流。在实际器件中,影响反向电流大小的因素很多,表面特性、材料缺陷以及隧穿所导致的表面和体内漏电流都会使器件的反向电流增大。上一篇：二极管的局域寿命控制技术
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