【Fx27A】功率器件簡要介紹

1、功率半導體簡介功率半導體器件種類很多，器件不同特性決定了它們不同的應用范圍，常用半導體器件的特性如下三圖所示。目前來說，最常用的功率半導體器件為功率和?？偟膩碚f，的輸出功率小，工作頻率高，但由于它導通電阻大的緣故，功耗也大。但它的功耗隨工作頻率增加幅度變化很小，故更適合于高頻場合，主要應用于計算機、消費電子、網(wǎng)絡通信、汽車電子、工業(yè)控制和電力設備領域。的輸出功率一般之間，低頻時功耗小，但隨著工作頻率的增加，開關損耗急劇上升，使得它的工作頻率不可能高于功率，主要應用于通信、工業(yè)、醫(yī)療、家電、照明、交通、新能源、半導體生產(chǎn)設備、航空航天以及國防等領域。圖功率半導體器件的工作頻率范圍及其功率控制容量

2、圖功率半導體器件工作頻率及電壓范圍IMhiMOSFETMCTBJTDO1O1-1kHzThyrirb.|*IkA2KA3kACurneni圖功率半導體器件工作頻率及電流范圍二不同結構的功率特性推薦功率的優(yōu)點主要有驅動功率小、驅動電路簡單、開關速度快、工作頻率高，隨著工藝的日漸成熟、制造成本越來越低，功率應用范圍越來越廣泛。我們下面主要推薦一些不同結構的的特性。.圖結構示意圖采用各向異性腐蝕在硅表面制作形槽，形槽穿透與連續(xù)擴散的表面，槽的角度由硅的晶體結構決定，而器件溝道長度取決于連續(xù)擴散的深度。在這種結構中，表面溝道由形槽中的柵電壓控制，電子從表面溝道出來后鄉(xiāng)下流到漏區(qū)。由于存在這樣一個輕摻雜

3、的漂移區(qū)且電流向下流動，可以提高耐壓而并不消耗表面的面積。這種結構提高了硅片的利用率，器件的頻率特性得到很大的改善。同時存在下列問題，形槽面之下溝道中的電子遷移率降低。，在槽的頂端存在很強的電場，嚴重影響器件擊穿電壓的提高。，器件導通電阻很大。，槽的腐蝕不易控制，柵氧暴露，易受離子玷污，造成閾值電壓不穩(wěn)定，可靠性下降。.圖結構示意圖的結構是基于改進得到的。這里的的槽是通過控制腐蝕槽的兩個斜面剛進入漂移區(qū)但還未相交時停止腐蝕得到的，當這種結構的柵極施加正偏壓時，不僅在型溝道區(qū)中會形成反型層，而且在柵極覆蓋的漂移區(qū)中還會產(chǎn)生積累層，于是源極電流均勻分配到漏極。適當選取柵極覆蓋的漂移區(qū)寬度，可大大減

4、小導通電阻，同時避免槽頂端強電場的產(chǎn)生。但是，的槽同樣存在難于控制腐蝕、柵氧暴露的問題。電壓控制型單極性器件，沒有電導調(diào)制效應，因而具有很高的開關速度，使其在高頻領域具有廣泛的應用。圖普通結構及耐壓區(qū)的電場分布示意圖一般功率半導體器件承受電壓靠的是耐壓區(qū)內(nèi)的反偏二極管。如圖，當漏源兩端加有電壓，而柵源電壓小于的閾值電壓時，處于關斷狀態(tài)，主要是由型漂移區(qū)和型源襯底區(qū)構成的反偏二極管承受。.由于型漂移區(qū)至少有一部分區(qū)域在外加電壓作用下耗盡，則耗盡之后帶正電荷的電離施主發(fā)出的電力線全部往上到達型襯底區(qū)，并被區(qū)內(nèi)耗盡的電離受主的負電荷吸收。因此，最大電場在與交界處。當足夠大時，型漂移區(qū)被全耗盡。推導過

5、程略，我們可以得到夢想情形下與的關系可以表示為：從該式可以看出，當器件的耐壓增加，則導通比電阻隨耐壓指數(shù)次的增加。這就是所謂的性極限的這種特性嚴重限制了它在高耐壓領域的應用。由于是縱向器件，有人提出一種改進結構，使其適應于平面工藝，如下。該結構漏極通過高摻雜埋層收集漏源電流，再通過高摻雜漏區(qū)由上表面引出。圖平面工藝結構示意圖圖結構示意圖是一種雙擴散結構的功率器件。的溝道是通過源極型重摻雜和其下方的阱區(qū)型輕摻雜的兩次擴散來形成的。離子注入完成之后還有一個高溫推進的過程。兩次擴散的橫向距離差決定了的溝道長度，這種工藝所制造的的溝道長度是固定的。在漏極和柵極之間還有一個輕摻雜的漂移區(qū)，漂移區(qū)的作用是

6、為了提高的擊穿電壓，漂移區(qū)的存在還在源極和漏極之間起到了緩沖的作用，對的短溝道效應也有所改善。低耐壓和高耐壓的主要區(qū)別在于柵電極和漂移區(qū)的長度，一般來說，低耐壓的柵電極覆蓋著整個漏源兩區(qū)之間的面積。而高耐壓的柵電極距漏區(qū)邊緣必須要有一定的距離。如果該距離太小或者覆蓋了漏區(qū)，則漏源之間的擊穿電壓將會大幅度下降。圖非對稱的結構示意圖如上圖是源極與漏極不對稱的結構，在源極沒有加入面積較大的漂移區(qū)結構，可以縮小器件面積，節(jié)約成本。圖對稱結構示意圖如上圖是源極與漏極對稱的結構，這樣源極和漏極都可以承受高壓具有較寬的禁帶寬度、較高的飽和電子漂移速度、較高的擊穿電場強度以及較低的介電常數(shù)。熱擊穿結溫可以到C

7、。由其制造的功率器件，具有耐高壓、耐高溫、抗輻射的優(yōu)點。與功率器件相比，具有更加穩(wěn)定的性能，其閾值電壓受溫度的影響不像器件那么明顯，溫漂效應”比較小。因此在溫度變化的場合應用時不需要特別關注溫度對柵極開啟電壓的影響。的各項寄生電容參數(shù)均小于。因而其開通進度比更短，開關速度更快，減小了的開關損耗。但是是價格的倍。.圖與的關斷損耗(bl關斷損耗圖不同輸入電壓下和開通和關斷損耗與相比，具有更快的開通和關斷速度，并且其損耗也比小。因此既可以實現(xiàn)所不能實現(xiàn)的高頻率工作，也可以彌補不能耐高壓的缺點。.但是，也存在著幾點技術挑戰(zhàn)。具一，單晶材料，如缺陷密度的降低和消除，以及單晶片尺寸的增加，導致功率半導體性

8、能和可靠性下降。其二，低反型層溝道遷移率和高溫、高電場下柵氧可靠性。其三，功率器件的封裝問題。如果能夠解決薄柵氧的工藝及理論，功率器件會有長足發(fā)展。將會顯著改善海軍艦艇、飛機及智能武器電磁炮等軍用系統(tǒng)的戲能，也將使民用混合動力車輛、列車牽引設備以及高壓直流輸電設備等受益匪淺。.0.02012201320142016年份20192022.0.62,8,42.LLO-O.(E9000一)蠢手蒯1電源；2不間斷電源；3混合與電動汽車；4工業(yè)電機郭動;5光伏逆變器：6風力渦輪機：7牽引：8我他應用.圖器件應用市場預測最初必須用藍寶石或晶片作襯底材料制備，限制了它的發(fā)展。后來，異質(zhì)結外延技術的發(fā)展，大大

9、降低了的成本。但是由于器件只能在異質(zhì)結材料上制備，所以其只能制作橫向結構的電力電子器件，耐壓很難超過，因此在低壓應用要求較苛刻的場合可能與硅基電力電子器件形成競爭勢態(tài)。.-黠缸化場辭步柒揖層r兩服電f氣一氧訛雷建綠房圖結構示意圖由上圖可知，與橫向結構完全相同，但是由于更加優(yōu)異的電氣特性，渴望在中高端應用中對造成挑戰(zhàn)。高端中端低端Silicon200VGaNJukTo/t牖ME600Vsic1200圖未來器件發(fā)展預測上圖為器件研發(fā)人士對未來電力電子器件發(fā)展的預測在保持類器件高速和易驅動優(yōu)點的基礎上，利用電荷平衡原理，將比導通電阻降低了一個數(shù)量級。電場圖超結的結構及耐壓區(qū)的電場分布示意圖超結的耐壓

10、層是由交替排列的半導體區(qū)構成。在超結結構中，耐壓狀態(tài)時柱和柱都會被耗盡，區(qū)內(nèi)除頂部和底部附近的部分區(qū)域外，耗盡之后由正的電離施主發(fā)出的電力線都被臨近的耗盡的區(qū)的負的電離受主吸收。.與普通的相比，在相同的漂移區(qū)摻雜濃度下，超結器件能夠得到更高的擊穿電壓。在相同的耐壓下，超結器件允許大幅提高型漂移區(qū)的摻雜計量。由此，普通中存在的比導通電阻與耐壓之間的尖銳的硅極限”的限制被突破。.但是，超結器件的制作工藝較為復雜，制造成本也相對較高。為了改善這些問題，有人提出了一種半超結的耐壓層結構。.電場圖半超結的結構及耐壓區(qū)的電場分布圖所謂半超結，就是耐壓層中部分采用超結結構，如圖中耐壓層的上半部分。耐壓層的下

11、半部分是型外延區(qū)。簡單講，半超結的電場分布比相同槽深的普通超結多出了圖中梯形陰影區(qū)面積。因此在刻槽的深度受到工藝限制的情況下，器件耐壓還能繼續(xù)提高。不管是超結還是半超結，都是利用的電荷補償原理，要求柱和柱的電荷計量相等，然而柱和柱的摻雜濃度都比較高，較小的工藝偏差就可能破壞電荷平衡而導致器件耐壓下降。為了精確控制區(qū)和區(qū)的摻雜計量，工藝的難度和復雜性也隨之增加，難免會造成制造成本的提高。另外，導通電流很大時，載流子本身的電荷也會影響耐壓區(qū)的電荷平衡，使得耐壓隨著電流的增加而下降。導通時柱和柱之間的內(nèi)建電場會使得兩區(qū)之間存在耗盡區(qū)，導致有效的導電橫截面積減小。.以上兩點的存在，限制了超結和半超結的

12、實際應用。否則，超結和半超結在高頻高壓領域會有更廣泛的應用。圖高介質(zhì)與半導體材料構成的耐壓層的二極管與耐壓時的電力線示意圖(a)二極管結構圖。()耐壓時的電力線方向示意圖的結構如圖所示，二極管的陽極與頂部的區(qū)接觸，陰極與底部的區(qū)接觸，在區(qū)與區(qū)之間是由型半導體與介質(zhì)交替排列的耐壓層結構，其中介質(zhì)的介電系數(shù)目比硅的介電系數(shù)目大得多理論推導發(fā)現(xiàn)，當區(qū)與區(qū)都比較窄且目時，耐壓區(qū)的平均介電系數(shù)為H，約為硅的叵倍。如果日變大，那么相應的器件耐壓也大。從另一個角度講，相同耐壓下允許區(qū)的摻雜計量增大。如果利用如圖所示的結構作為的耐壓層，顯然由此可以獲得比普通低得多的比導通電阻。但是，高介電系數(shù)的材料不一定和半

13、導體和有相同的膨脹系數(shù)，而功率器件在使用時溫度會有變化，不同的熱膨脹系數(shù)容易導致芯片龜裂。迄今為止仍然沒有找到一種合適的材料。有人提出在絕緣體中摻入導電顆粒來獲得高”的特性。這種方法部分解決了的一些問題，但高功率器件仍然沒有達到夢想中的效果。我們?nèi)匀恍枰业揭环N合適的材料使得高功率器件實現(xiàn)真正的產(chǎn)品化。.圖典型的結構是一種橫向雙擴散型場效應管，其結構如上圖所示。襯底中的隱埋氧化層，稱為埋氧層。埋氧層上面為頂層硅膜，稱為層。埋氧層下面為硅襯底。一般都是溝道器件，器件的工作電流為電子多子電流。在層的一側為型緩沖層，另一側為型的阱區(qū)。在緩沖層進行重摻雜，形成漏極歐姆接觸，并在其上方形成源極電極。當柵

14、源電壓小于閾值電壓時，溝道中沒有電流通道，器件處于截止狀態(tài)。此時若在漏極接正電壓，源極和襯底均接地，電壓主要降落在器件中阱區(qū)與漂移區(qū)的桌面處反向偏置結上，且耗盡層主要向低濃度的漂移區(qū)擴展。層、埋氧層和襯底之間形成一個類似的倒電容”結構,的襯底為柵電極，埋氧層為柵氧化層，型層作為該結構的襯底。此時，上表面的層底部會因為襯底接地將形成一個感應耗盡層。當漏極電壓達到一定大小時，兩耗盡層的邊緣將相連，發(fā)生耦合。耗盡層耦合之后，耗盡層在漂移區(qū)中向漏極擴展的速度加快、器件的橫向耐壓主要由耗盡的漂移區(qū)承擔，而縱向耐壓主要是由埋氧層承擔。當柵源電壓大于閾值電壓時，溝道中將形成一層反型的溝道。中形成了一條從源極經(jīng)過溝道流向漂移區(qū)，在經(jīng)過緩沖層，流向漏極的電子流動路徑。因為電子帶負電，所以電流流動方向與電子的流動方向相反。器件的通態(tài)電阻主要由溝道電阻和漂移區(qū)電阻組成。溝道電阻很大程度上取決于柵源電壓和溝道寬度。的漂移區(qū)濃度往往較低，因此漂移區(qū)本