PIN二极管(基于Si&SiC)的讨论

中科院半导体所 昨天

以下文章来源于功率半导体那些事儿 ，作者Disciple

功率半导体那些事儿
功率半导体那些事儿

从易到难，慢慢地支撑起整个半导体的框架，一个从零开始学习功率半导体的地方，我们可以一起谈谈功率半导体的那些事儿



Hey！许久不见，可还安好。

路漫漫，2020年我们依旧还在我们手里！


据说最近国内第三代半导体研发投产方面好消息不断，今天我们就聊聊传统Si Pin和SiC Pin二极管那些事儿



A

PiN二极管
众所周知，pn结几乎事所有功率器件的基本组成部分，那什么是pin呢？从表面我们可以直观地看出，p和n之间被"i"插了一脚，这个"第三者"实际上低掺杂的n层(n-层)，它比外面层p和n层的掺杂低了几个数量级。相对于单极型相比，pin二极管的优点在于：在基区大注入时，通态电阻会较大幅度地降低，我们称之为电导调制，故pin二极管可以得到很高的阻断电压。
大多数的功率二极管都是pin二极管，从应用的角度我们可以将之分为两种主要类型：
①整流二极管：用于50Hz或60Hz的电网频率，开关损耗起次要作用，在中间层有高的载流子寿命；

②快恢复二极管：用于开关器件的续流二极管(比如IGBT旁边并联的那个)，或者是在高频变压器后用作输出的整流器。通常，它们能够达到20kHz的开关频率，并且能够在50~100kHz或者更高的开关电源中工作。在Si基的快恢复二极管中，中间低掺杂层(n-层)中的载流子寿命必须减小到规定的低值。

pin二极管的结构：根据结构和工艺，pin二极管可以分为两种，外延和扩散。

前面我们在聊半导体的制造工艺时有聊过外延和扩散，大家可以去回顾下。对于外延二极管，首先n-层是用外延工艺沉积在高掺杂的n+衬底上，然后用扩散工艺形成p+层。从上图可以看出，外延二极管的基区宽度ωB很小，只有几微米，所以靠着足够厚的衬底晶片，可以使生产的晶片破损少，产量高。外延二极管主要用于阻断电压100V~600V的场合，某些也会生产1200V的外延二极管。
因为外延工艺的成本，对于更高阻断电压的二极管(一般指1200V以上)一般用扩散工艺制造。开始是用低掺杂的晶片，用扩散的方法得到p+和n+层，测试晶片的厚度是由中间n-层的厚度ωB和扩散分布的深度来决定的。对于电压较低的，所需ωB相应的也就小。用深的p+层和n+层，晶片的厚度可以再次增加，但是深的p+层不利于二极管的反向恢复特性。所以，较薄晶片的工艺加工是很讲究的，IFX生产中有用到80um的晶片厚度(不知道现在到什么程度了)。



B

正向导通&反向恢复

➤开通特性

在功率二极管转换到导通状态时，在电压下降至其正向电压前，要先上升到开通电压的峰值电压VFRM，这个电压也叫正向恢复最大值。如下图：

从图中可见，开通时的这个电压尖峰和电流变化率di/dt有关，在晶闸管为主的时期，那时的电流变化率一般都不高，VFRM也只有几伏。但是如今，IGBT等开关器件工作时的电流变化率在一个很高的水平，此时的VFRM可能会达到小几百伏。再加上IGBT关断时的di/dt在寄生电感上产生一个电压，叠加到VFRM上将产生一个很高的电压尖峰。所以VFRM是不可忽略的一个重要参数，特别是在电压较高的应用场合下。
至于开通损耗，此时二极管的开通特性显得就没那么重要了，因为开通过程很快，开通损耗只占二极管关断损耗或者导通损耗的百分之几而已，热计算时可以忽略。

➤反向恢复

随着二极管从导通到阻断状态的转换，存储在二极管中的电荷必须被移出，引起二极管的反向恢复电流。

上图是典型的二极管反向恢复的电压电流波形，可以结合前面讲到的Diode的反向恢复来看。

二极管的反向恢复电流波形可以分为两个阶段：

①波形达到IRRM后反向电流以dir/dt下降。在软恢复二极管中，|dir/dt|是在|di/dt|范围之内的，同时反向恢复电流峰值IRRM是造成开关器件最重的负担。
②尾部电流阶段：此期间反向电流缓慢减小至终止。二极管的主要损耗产生在此阶段，因为此时有一个很高的电压加在二极管的两端。较硬的二极管，虽然尾部阶段得到减小，但是其较大的电流变化产生的电压峰值和振荡是很危险的，所以慢和软的二极管是更为合适的，二极管的尾部电流减轻了开关器件的负担。

关于损耗：

保持低的反向恢复峰值电流IRRM和使二极管储存电荷的主要部分在拖尾阶段抽出是有利于减小二极管损耗的。理想化电流电压波形，我们能够知道，二极管的关断损耗是直接正比于反向恢复电荷QRR的。较准确的损耗可以使用电流电压积分来得到。
所有的快速Si二极管都会用到复合中心，复合中心主要使载流子寿命降低从而使储存电荷QRR降低，但是其会使得导通压降增加，两者需要折衷。对于二极管的所有特性起主导作用的参数是上面我们提到的低掺杂基区的宽度ωB。只要宽度ωB足够大，二极管的反向恢复特性就会变软，但是这会导致很高的正向导通和/或开关损耗，这又是两个矛盾的因素。但是现在的关于软恢复特性的设计理念是在不用大大增加基区宽度来实现，所有产生了很多种技术特点的二极管，如MPS二极管(pin+肖特基)、发射极控制的(EMCON)二极管、轴向载流子寿命可控的(CAL)二极管、MOS控制二极管(特定工作模式下也被称作同步整流器)以及混合式二极管等等(这里就不逐一展开了)。

C

SiC功率pin二极管
上面我们介绍了传统Si基pin二极管，第三代WBG作为新时代的宠儿，我们下面来看看SiC 功率二极管相比Si有那些变化。
SiC pin二极管具有高于Si的2~3个数量级的开关速度、高结温承受能力、高电流密度以及更高的功率密度。
①击穿电场提高了近一个数量级：设计时可以采用更薄和掺杂浓度更高的阻挡层；
②三倍高的宽禁带：使得其拥有更高的工作温度和更高的抗辐射能力；但是这也使得其内建电势比Si高三倍；
③高于Si三倍的热导率(4.9K/W)：使得其散热性能更高，能够达到更高的功率。
SiC pin二极管与同等级的Si基二极管相比，拥有很小的反向恢复电荷QRR，主要原因有这么几点：
⑴减薄了几十倍的电压阻挡层和高于几十倍的掺杂浓度，这使得本征层中的少子电荷得到显著的减小；
⑵这些更薄的电压阻挡层所需的载流子寿命比Si的载流子寿命小10倍多；并且使得在温度变化时，SiC pin二极管具有非常温度的正向导通压降。


就目前而言，SiC仍处在初期，看似Si器件到了其极限，但是由于种种限制(成本、SiC材料的质量和制造工艺等等)，接下来的几年乃至几十年还是以Si为主导，同时SiC和Si相辅相成会持续很长一段时间。

今天的内容希望你们能够喜欢！

来源：功率半导体那些事儿

编辑：拓跋猴儿