关艳霞，李银娜

（沈阳工业大学 信息科学与工程学院，辽宁 沈阳 110870）

混合PiN/Schottky二极管的研究

关艳霞，李银娜

（沈阳工业大学 信息科学与工程学院，辽宁 沈阳 110870）

对混合PiN/Schottky二极管（MPS）进行研究，首先对MPS二极管的工作原理进行了分析，通过对MPS二极管、肖特基二极管、PIN二极管的伏安特性进行模拟，结果表明MPS二极管正向压降小，电流密度大，反向漏电流小，是一种具有肖特基正向特性和PN结反向特性的新型整流器.可以通过改变肖特基和PN结的面积比来调整MPS二极管的性能，与肖特基二极管和PIN二极管相比具有明显的优势，是功率系统不可或缺的功率整流管。

MPS；PiN；Schottky；伏安特性；模拟

电力电子技术的发展使作为电力电子技术重要基础的电力电子器件得到了广泛的关注和研究。功率整流管是电力电子器件中结构最简单，应用最广泛的一种开关器件。从器件结构上，功率整流管大致可以分为三种：PiN二极管，肖特基二极管（SBD），MPS 二极管（Merged PiN Schottky diodes）。MPS结构将PN结集成在肖特基结构中，在反向应用时PN结的耗尽区将肖特基界面屏蔽于高场之外，避免了肖特基势垒降低效应，使反向漏电流大大减少，而正向导电特性仍然由肖特基接触决定。由于MPS二极管在功率系统中有很好的应用前景，所以有必要对MPS二极管进行较深入的研究，优化MPS二极管的结构参数，并与肖特基二极管，PIN二极管进行比较，证明MPS二极管的相对优势[1]。

1 MPS二极管工作原理

MPS整流管的结构中包含了肖特基二极管和PIN二极管的结构，所以工作原理也基于这两种二极管之间。图1为MPS二极管元胞示意图。半导体器件中的载流子浓度对器件的工作特性有很大的影响。MPS中，施加正向偏置电压时，存在3个过程。第一个过程，施加正向电压开始，P+区开始向肖特基区域注入空穴，随着电压的升高注入量随之增大，其中载流子的浓度分布发生变化。同时，PN结势垒和肖特基势垒下降，肖特基和PN结均未导通，所以漂移区的电子浓度梯度近似为零；第二个过程，随着电压的继续升高，肖特基区域首先导通，漂移区和沟道区的少数载流子浓度梯度不再为零，外延层的电子通过肖特基区域形成的沟道进入金属，形成电流；第三个过程，继续升高正向电压，PN结导通，由P+区向沟道区注入的空穴在数值上超过衬底杂质浓度，呈现出混合整流的特性，既有肖特基整流特性，同时具有PN结整流特性。同时多数载流子在电场和阴极高低结的作用下产生积累，在数量上与空穴几乎相等，此时电导调制区形成，随着电压的进一步升高，注人的空穴数量不断增大，积累的电子浓度也不断增大,电导调制区开始向肖特基势垒区扩展,一直扩展到肖特基势垒区在以后,漂移区的载流子浓度变化缓慢,而在沟道区和肖特基势垒区的载流子浓度变化很快,这就是MPS与其他器件的最大不同[2-3]。

2 MPS二极管结构参数设计

2.1 结构参数设计思想

图1 MPS二极管元胞示意图Fig.1 MPS diode cell schematic

对MPS二极管的结构及工作原理分析知，MPS二极管两端加高反向电压时的大部分电压由PiN部分承受，此时反向特性接近PN结，当MPS二极管两端加正向电压时，此时正向特性与肖特基二极管的正向电学特性相似，所以再设计MPS二极管反向耐压时可以参考PiN二极管的击穿电压，通过调整N-区的厚度和掺杂浓度，使MPS二极管的反向击穿电压接近耐压指标，再通过调整P+区域和肖特基区域的宽度比使MPS二极管的反向击穿电压达到指定的耐压值。在满足耐压的条件下增大P+区的浓度，增大注入效率，增大电导调制效应，从而降低N-区串联电阻，改善MPS二极管的正向特性和降低功耗[4]。

2.2 关键参数N-掺杂浓度

MPS二极管反向时特性接近PiN二极管，而PiN二极管的反向击穿电压主要由基区的掺杂浓度和厚度决定。对于功率整流管来说，击穿电压一般很高，一般可用单边突变结来近似计算二极管的雪崩击穿电压。对于平行平面结，单边突变P+N-结的情况，施加反向电压后，空间电荷区的展宽主要在轻掺杂区一侧。当轻掺杂一侧的宽度大于雪崩击穿时，空间电荷区在该侧展宽时，其雪崩击穿电压由轻掺杂区的掺杂浓度决定。

VB=5.34×1013ND-3/4=5.34×1013（qμnρ）3/4（1）

若电子迁移率 μn取为 1 350～1 550 cm2/V.S时，式（1）可写成，此式便是国内功率半导体器件生产中实际常用的一个公式，将反向耐压值代入式（1）中，得掺杂浓度ND。

2.3 关键参数N-区厚度WN

由晶体管原理知道单边突变结P+N-的空间电荷区在N-区侧的展宽为

式中A=0.531

1）确定 N-区的厚度WN

为了确保非穿通，应取WN＞1.2XmB，经验上WN取值为：

2）将ND代入得WN

3 特性模拟与分析

在反向耐压都是1 300 V的MPS二极管，肖特基二极管和PIN二极管模拟中，测得他们的正向特性曲线如图2和3所示。

图2 MPS和PIN二极管正向特性Fig.2 Forward characteristic of MPS and PIN diode

图3 肖特基二极管正向特性Fig.3 Reverse characteristic of MPS and PIN diode

由图中可以看出MPS二极管的正向开启电压与肖特基二极管相比相差无几，但比PIN二极管要小得多，这是因为MPS结构在正向偏压下，起主要作用的是肖特基，他决定了开启电压，也就是说MPS二极管的正向特性接近肖特基二极管，具有好的正向特性[5]。

图3是在相同外部条件下肖特基宽度变化对MPS二极管正向特性的影响，从图3我们可以发现随着肖特基宽度的增大，MPS正向电流密度逐渐增大，当肖特基的宽度大到一定程度时，MPS的特性很接近于肖特基二极管，当PN结的宽度大到一定程度时，MPS的特性接近于PIN二极管[6]。

图4是在相同外部条件下肖特基宽度变化对MPS二极管反向特性的影响，MPS二极管的击穿电压与PN结接近，但比肖特基二极管的击穿电压要大很多，这是因为MPS结构在反偏电压下，起主要作用的是PN结，它决定了击穿电压，而且PN结的击穿特性比肖特基二极管要好得多。从图4中我们可以发现随着肖特宽度的减小，MPS反向耐压逐渐增大，反向漏电流减小，即当肖特基宽度的减小时，MPS二极管的特性接近PIN二极管，当肖特基区的宽度增大时，MPS的击穿电压逐渐减少，向肖特基二极管靠近[7-8]。

图4 肖特基宽度的变化对MPS正向特性的影响Fig.4 Changes of the width of the Schottky effect on the forward characteristics of MPS

图5 肖特基宽度的变化对MPS反向特性的影响Fig.5 Changes of the width of the Schottky effect on the reverse characteristics of MPS

4 结 论

文中利用Silvaco软件对混合PiN/Schottky二极管（MPS）的特性[9]进行了模拟，结果表明，MPS二极管的工作原理是正向时肖特基起主要作用，反向时，PN结起主要作用。MPS结构综合了肖特基结构和PN结结构的优点，具有很好的正向和反向特性，即正向压降小，正向电流密度大，反向漏电流小，击穿电压高，并且可以通过增大肖特基的面积比来提高其正向特性，又可以通过增加PN结的面积比来提高其反向特性。所有这些特性都有助于建立一个功耗小，尺寸小，效率高的功率系统。MPS二极管是理想的功率整流器。

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Study of merged PiN/Schottky diode（MPS）

GUAN Yan-xia，LI Yin-na
（College of Information Science and Engineering， Shenyang University of Technology， Shenyang 110870， China）

The main purpose of this paper is to study the merged PiN/Schottky diode （MPS）.Firstly，the MPS diode operating principle is analyzed ，Though the volt-ampere characteristics of merged PiN/Schottky diode （MPS）、Schottky diode、PiN diode were simulated，the results show that the MPS diode forward voltage drop is small，current density is big，reverse leakage is small，is a kind of Schottky forward characteristics and PN junction reverse characteristics of the new rectifier.By changing Schottky and PN junction area ratio to adjust the performance of MPS diode，compared with Schottky diode and PiN diode has obvious advantages，is an indispensable power rectifier of power system.

MPS； PiN； Schottky； Volt-ampere characteristics； simulate

TN31

A

1674-6236（2014）15-0140-03

2013-10-27 稿件编号：201310209

关艳霞（1963—），女，辽宁海城人，博士，副教授。研究方向：电力半导体器件和微机电系统。