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2.2.1 JBS二极管的结构

通过在肖特基接触和其周围设置紧密相间的P + 区形成势垒,屏蔽肖特基接触处半导体一侧的高电场。因为该结构是利用PN结势垒来控制肖特基最高电场的,所以被称为“结势垒控制肖特基(JBS)二极管”。JBS二极管的结构如图2.10所示。它由肖特基接触和其周围的P + 区组成,在反向阻断模式下,P + 区在金属-半导体接触下面产生势垒,屏蔽肖特基接触。势垒的大小取决于PN结之间的距离和结深。较小的间距和较大的结深有利于增加势垒的大小,从而使肖特基接触处电场有更大的减小。肖特基接触处电场的减小将减小势垒高度降低效应和场发射效应,这有利于减小高反向偏压下的漏电流。

图2.10 JBS二极管结构

选择合理P + 区之间的距离,确保在导通状态下,肖特基接触的下方存在未耗尽区域,实现单极传导。在JBS二极管中,二极管两端的压降不足以使PN结导通。具有低击穿电压的硅器件具有的低通态压降(大约0.45V),远低于PN结产生大注入所需要的0.7V。碳化硅的幅度甚至更大,因为其带隙更宽。由于漂移区的比电阻小,典型的碳化硅肖特基二极管的通态压降低于1.5V,远低于使PN产生注入所需的3V。因此,JBS概念非常适合开发高击穿电压的碳化硅JBS二极管。

在硅器件中,PN结是由热退火形成的一个平面结,其横向扩展如图2.11所示。在JBS二极管的分析过程中,必须考虑横向扩散所占据的附加面积,而且结为圆柱形。对于碳化硅JBS二极管,在离子注入的退火期间没有显著的扩散。如图2.11所示,碳化硅结构的PN结为矩形。

图2.11 碳化硅JBS二极管结构

值得指出的是,在JBS二极管中,反向阻断电压由PN结下方所形成的耗尽区承担。这个结同时是硅二极管的终端。对于低电压硅器件,通常利用具有场板的圆柱形终端就足以实现增强击穿电压的目的。击穿电压因此降低到大约理想平行平面结的80%。对于漂移区掺杂浓度的计算必须考虑到击穿电压的降低:

式中,BV PP 为在考虑边缘终端之后的平行平面结的击穿电压。

在设计这些器件时经常会出现的错误是,使PN结下面的漂移区的厚度等于具有上述掺杂浓度的理想平行平面结的耗尽宽度。实际上,最大耗尽宽度为器件的击穿电压(BV)下的最大耗尽宽度,如由以下给出的:

因此,在PN结下面所需的漂移区的厚度小于具有上述掺杂浓度的理想平行平面结的耗尽宽度。由于电流在结之间传输和漂移区的较低掺杂浓度,因此肖特基接触下的漂移区的电阻比理想平行平面结构的电阻更高。 lX2GSS2KpDG66gVfCh6ksj9vGsxFMWirERQDckU5OJEUyHWzvWi6TQBrhxEFxvxM

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