功率半導(dǎo)體器件學(xué)習(xí)筆記(1)

理論白癡的我寫這個(gè)壓力有點(diǎn)小大，水平很有限，初學(xué)者看看，然后再去找對(duì)應(yīng)論文看正規(guī)的說法和解釋，別被我誤導(dǎo)，老司機(jī)跳過。

1、功率半導(dǎo)體器件簡(jiǎn)介

功率半導(dǎo)體器件，以前也被稱為電力電子器件，簡(jiǎn)單來說，就是進(jìn)行功率處理的，具有處理高電壓，大電流能力的半導(dǎo)體器件。典型的功率處理，包括變頻、變壓、變流、功率管理等等。早期的功率半導(dǎo)體器件：大功率二極管、晶閘管等等，主要用于工業(yè)和電力系統(tǒng)（正因如此，早期才被稱為電力電子器件）后來，隨著以功率MOSFET器件為代表的新型功率半導(dǎo)體器件的迅速發(fā)展，現(xiàn)在功率半導(dǎo)體器件已經(jīng)非常廣泛，在計(jì)算機(jī)、通行、消費(fèi)電子、汽車電子 為代表的4C行業(yè)（computer、communication、consumer electronics、cartronics）。在大多數(shù)情況下，它是被作為開關(guān)使用（switch），開關(guān)，簡(jiǎn)單的說，就是用來控制電流的通過和截?cái)?。那么，一個(gè)理想的開關(guān)，應(yīng)該具有兩個(gè)基本的特性：電流通過的時(shí)候，這個(gè)理想開關(guān)兩端的電壓降是零；電流截?cái)嗟臅r(shí)候，這個(gè)理想開關(guān)兩端可以承受的電壓可以是任意大小，也就是0~無窮大。

因此，功率半導(dǎo)體器件的研究和發(fā)展，就是圍繞著這個(gè)目標(biāo)不斷前進(jìn)的?，F(xiàn)在的功率半導(dǎo)體器件，已經(jīng)具有很好的性能了，在要求的電壓電流處理范圍內(nèi)，可以接近一個(gè)比較理想的開關(guān)。舉幾個(gè)例子，功率二極管，晶閘管，還有功率BJT（就是功率雙極型晶體管）這些都是第一代產(chǎn)品了，比較老的了，第二代是以功率MOSFET為代表的新型功率半導(dǎo)體器件，如VDMOS、LDMOS，以及IGBT。VDMOS 即（vertical double-diffusion MOSFET）是縱向器件，柵和源電極在上面，漏極在下面，多用于分立器件；LDMOS 即（Lateraldouble-diffusion MOSFET），是橫向器件，其三個(gè)電極（源極柵極漏極）均在硅片上表面，易于集成，多用于功率集成電路領(lǐng)域。IGBT 即（InsulatedGate Bipolar Transistor 絕緣柵雙極型晶體管），可以看作是功率MOS和功率BJT的混合型新器件。（這一段是摘抄與修改）

2、NMOS襯偏效應(yīng)解決的方法

在源端加P+，引出電極和源級(jí)短接，保持源和襯底電位一致，消除襯偏效應(yīng)對(duì)閾值電壓Vth的影響。直接讓P-body和源級(jí)相連理論上也行，但輕摻雜的P-body接觸電阻更大，所以采用源區(qū)加P+的方法來降低接觸電阻。這這只是解決方法之一，不是唯一。

3、淺談MOS

個(gè)人覺得MOS是個(gè)很重要的概念，知道一些基本原理才能進(jìn)行學(xué)術(shù)研究，所以MOS的特性一定要掌握到位。

下圖是一個(gè)典型的NMOS示意圖，源極下方P+是為了消除襯偏效應(yīng)的影響，同時(shí)也為了降低接觸電阻。柵氧一般很薄很薄，而且柵氧要求的質(zhì)量很高，氧化層的形成一般有干氧氧化和濕氧氧化，柵氧一般（不是所有）采用干氧氧化，干氧雖然慢，但質(zhì)量高。柵氧上面是多晶硅，多晶硅還需要摻入五價(jià)的元素（如磷，砷）形成N型多晶硅。為什么不摻硼這樣的元素形成P型多晶硅，一種說法是柵氧（SiO2）具有吸硼排磷的特性，假如多晶硅里有硼元素，那么就可能會(huì)進(jìn)入柵氧，柵氧里便會(huì)摻入雜質(zhì)，影響柵氧質(zhì)量，甚至?xí)霈F(xiàn)我們極其不希望看到的柵電流。對(duì)了，個(gè)人覺得，在流片的時(shí)候，記得將靠近場(chǎng)氧等氧化層的P-區(qū)增大一下表面濃度哦，不然吸硼排磷，發(fā)現(xiàn)P-body最上面竟然不是P-，而是漂移區(qū)，硼都被氧化層吸走了，這就哭了，流片成本那么高，emmm畢竟流片良率問題太重要了。

高壓排斥空穴，低壓吸引電子這是大家都認(rèn)同的。柵極加高壓，靠近柵氧的P-well區(qū)空穴便會(huì)被排斥開，留下不可移動(dòng)的硼離子，這些陰離子形成的便是反型層，對(duì)于電子來說是低阻區(qū)，這就是所謂的溝道，而且，柵壓越大溝道越寬溝道電阻就越小。

當(dāng)柵氧較厚時(shí)，pwell濃度較大時(shí)，反型較困難，即需要更大的柵壓才能形成反型層，也就是閾值電壓會(huì)增大，而且閾值電壓也跟溫度有關(guān)系哦，溫度升高，閾值電壓是降低的，因?yàn)閂th的表達(dá)式中有一項(xiàng)是與表面勢(shì)有關(guān)的，而表面勢(shì)與溫度的是正比關(guān)系，即溫度升高表面勢(shì)增大。在閾值電壓的表達(dá)式中，Vth＝Vth0＋γ((Φ-Vbs)^0.5-Φ^0.5)，顯然第二項(xiàng)是負(fù)值，也就是說表面勢(shì)Φ增大Vth減小。
當(dāng)反型層形成了，也就有了電子溝道，一旦漏極電勢(shì)大于源極，電子就會(huì)從源極經(jīng)過溝道到達(dá)漏極。

下面談?wù)劸€性電流和飽和電流，以及什么叫溝道夾斷。

當(dāng)溝道形成，漏極電壓不大時(shí)，這個(gè)時(shí)候MOS的導(dǎo)通基本是受溝道電阻的影響，所以呈現(xiàn)的是線性區(qū)變化，

隨著漏壓繼續(xù)增加，靠近漏的溝道消失，形成夾斷，一方面，不是所有的電子都可以通過夾斷區(qū)，只有速度高的電子才能在電場(chǎng)作用下強(qiáng)行穿過夾斷區(qū)，另一方面，電子也是有飽和速度的，速度達(dá)到一定值不再增加，這就是為什么漏壓增加了，電流卻飽和不增加的原因。在功率器件，比如VDMOS中，飽和區(qū)的電流曲線不是平的，而是上翹的，是因?yàn)閮蓚€(gè)P-body之間N-drift區(qū)即JFET區(qū)，更多的漏電勢(shì)落在了JFET電阻上，所以在溝道夾斷以后還是會(huì)電流上翹的現(xiàn)象，也就是準(zhǔn)飽和效應(yīng)。準(zhǔn)飽和效應(yīng)我涉獵較少，對(duì)此感興趣的多去查查文獻(xiàn)哦。

4、硬擊穿和軟擊穿

擊穿分為硬擊穿和軟擊穿，如果BV曲線突然上升，很陡，就稱為硬擊穿，如果BV曲線上升很緩，稱為軟擊穿。

5、查找專利去哪個(gè)網(wǎng)站？

查國(guó)內(nèi)專利選佰騰網(wǎng)，soopat，查國(guó)外專利選freepatent online。

6、什么是閂鎖效應(yīng)，即latch-up？

IGBT正常導(dǎo)通應(yīng)該是柵下溝道開啟，電子從發(fā)射極出發(fā)，經(jīng)過溝道，進(jìn)入漂移區(qū)，到達(dá)并聚集在集電極下方，當(dāng)集電極與集電極下方電位大于PN結(jié)的正向?qū)▔航?，集電極P+和N-buffer構(gòu)成的PN結(jié)就會(huì)開啟，器件不再只有電子電流，而且有空穴電流，進(jìn)入雙極型模式，發(fā)生電導(dǎo)調(diào)制，即大注入（少子數(shù)量大于等于多子數(shù)量），電流能力大大增強(qiáng)。當(dāng)柵壓降低，讓溝道下方電子反型層消失，電子電流就會(huì)被切斷，IGBT關(guān)斷。

但是當(dāng)漂移區(qū)的空穴經(jīng)源區(qū)P-body、源區(qū)P+流到源極時(shí)，由于P-body區(qū)電阻的存在，在源區(qū)P-body和源區(qū)N+可能產(chǎn)生一定的壓降，當(dāng)該壓降大于由源區(qū)P-body和源區(qū)N+組成的PN結(jié)的正向?qū)▔航禃r(shí)，由源區(qū)N+、源區(qū)P-body和N-drift構(gòu)成的寄生NPN就會(huì)開啟，此時(shí)柵對(duì)于溝道電流就失去了控制，無法通過柵壓讓器件關(guān)斷，這就是閂鎖效應(yīng)，一般發(fā)生在IGBT內(nèi)，示意圖如下。（我自己口述解釋的，很不嚴(yán)謹(jǐn)，意思大概懂即可）

工藝上為防正向?qū)ㄆ陂g寄生NPN開啟的方法是增大P-body的濃度，我們知道，摻雜越多，載流子就越多，電阻就越小，P-body電阻小，那么較大電流流過時(shí)，就很難在發(fā)射極N+和P-body之間形成0.7伏的正向?qū)▔航担l(fā)射極P-body/N+結(jié)就較難開啟，可以達(dá)到防閂鎖的目的，但是這樣會(huì)導(dǎo)致閾值電壓的增大。

7、溫度升高，PN結(jié)擊穿電壓會(huì)怎樣變化？

溫度升高，晶格振動(dòng)劇烈，載流子遷移率因受阻而下降，故相同電壓下，溫度高的，速率更低，需要更大的電壓才能使得載流子達(dá)到雪崩擊穿的速率，因此溫度升高，擊穿電壓是變大的，但是溫度升高，本征激發(fā)的載流子數(shù)目也在變多，所以漏電也會(huì)增加，仿真結(jié)果如下。

8、PN+結(jié)的BV和P+N結(jié)的BV（breakdown voltage，擊穿電壓）有何差別？

對(duì)于PN+結(jié)來說，空穴是更少的少子，對(duì)于P+N結(jié)，電子是更少的少子，空穴遷移率小于電子，所以要想達(dá)到雪崩速率，PN+需要更大的電壓，PN+的BV高些，仿真證明如下。

9、SOI技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

SOI就是有Psub，BOX和Ndrift的，Si基就是直接在Psub上做N漂移區(qū)的。

SOI全稱：silicon on insulator，絕緣體上硅

SOI優(yōu)點(diǎn)：減小了寄生電容，降低了漏電，消除了閂鎖效應(yīng)，抑制了襯底脈沖電流的干擾，與現(xiàn)有的硅工藝兼容，可以減少13-20%的工序。

SOI缺點(diǎn)：成本高，是Si的六倍以上，散熱困難。

10、RC-IGBT產(chǎn)生snapback原因

對(duì)于一般的IGBT，如上面第5條的圖所示， IGBT不存在體二極管，當(dāng)器件關(guān)斷的時(shí)候，漂移區(qū)空穴可以通過發(fā)射極P+抽取，但是電子就慘了，沒有路徑讓它回家，集電極的P+對(duì)于電子而言是高阻區(qū)，于是電子就只能被漂移區(qū)內(nèi)的空穴慢慢復(fù)合掉。復(fù)合的速度哪能比得上抽取的快，所以IGBT最嚴(yán)重的問題就是關(guān)斷速度賊雞兒慢，這就導(dǎo)致了IGBT只能用于大功率，可惜在高頻領(lǐng)域無用武之地。

為了解決這一頭疼問題，必須要讓IGBT關(guān)斷期間長(zhǎng)長(zhǎng)的拖尾電流消失，怎么辦呢？最簡(jiǎn)單的就是也給電子一條回家的路徑，那就是在集電極側(cè)加一個(gè)N+區(qū)同時(shí)與集電極連接起來，這樣電子的抽取就變快了。IGBT發(fā)射極（E）也被叫陰極，集電極（C）也被叫陽極。

下圖是RC-IGBT，因?yàn)殛枠O多了個(gè)N+區(qū)用來提供電子抽取路徑，加快IGBT關(guān)斷的。正常的IGBT是左邊低壓右邊高壓，電流從右向左。但是加了陽極N+之后，左邊可以接高壓，右邊可以接低壓，體二極管可以導(dǎo)通，電流從左向右，實(shí)現(xiàn)了逆向?qū)ǖ墓δ?，所以叫逆?dǎo)，reverse conduction，這是RC的來歷。由于陽極P/N1結(jié)被短路，RC-IGBT 正向?qū)ǔ跗冢òl(fā)生電壓折回之前）體內(nèi)只有電子電流，陽極P+區(qū)不能向漂移區(qū)注入空穴，漂移區(qū)因此也沒有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)存在。也就是說，RC-IGBT發(fā)生電壓折回之前的導(dǎo)通電阻實(shí)際非常大，其值接近于相同結(jié)構(gòu)尺寸下VDMOS的導(dǎo)通電阻。當(dāng)陽極P+和N1下方電位大于陽極P/N1結(jié)的內(nèi)建電勢(shì)時(shí)，陽極P+開始向漂移區(qū)注入空穴，使漂移區(qū)發(fā)生電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，降低漂移區(qū)的電阻。這會(huì)導(dǎo)致 RC-IGBT 的電流增大，使 N1下方的電勢(shì)進(jìn)一步下降，結(jié)果會(huì)使漂移區(qū)有更多的空穴注入和更充分電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，這樣就會(huì)形成電流不斷增大而電阻不斷減小的正反饋過程。這個(gè)過程反映到輸出特性曲線的結(jié)果，即為 RC-IGBT 的電流增大同時(shí)電壓減小的電壓折回現(xiàn)象。

簡(jiǎn)單來講就是MOS小電流模式切換到BJT大電流模式需要經(jīng)歷突變這個(gè)過程。snapback現(xiàn)象的存在是不希望看到的，因?yàn)橐粋€(gè)電壓對(duì)應(yīng)值兩個(gè)電流，如果兩個(gè)玩意并聯(lián)，電壓是相同的，可能會(huì)存在一個(gè)流過電流大一個(gè)流過電流小，流過電流大的阻礙就變小，就會(huì)導(dǎo)致電流越來越大，可能會(huì)引起器件損壞。工程上一般是增大陽極N+和P+之間的距離，這樣可以利用N+和P+之間漂移區(qū)電阻來形成壓降，讓N1下方電勢(shì)早點(diǎn)比陽極電位小0.7V（假設(shè)PN結(jié)開啟電壓是0.7V），但這樣又太費(fèi)面積，學(xué)術(shù)上的研究一般是通過讓電子繞路增大上述電阻，這方面論文太多了，感興趣去研究研究呢。

11、MOS二級(jí)效應(yīng)有哪些？

溝道長(zhǎng)度調(diào)制，背柵效應(yīng)，亞閾值效應(yīng)。

溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)：溝道夾斷以后，繼續(xù)增大VDS，會(huì)導(dǎo)致夾斷點(diǎn)往源極移動(dòng)，溝道有效長(zhǎng)度減小，電阻減小，ID增大

背柵效應(yīng)：MOS管的閾值電壓將隨其源極和襯底之間電位的不同而發(fā)生變化。

12、雙線法測(cè)電阻與四線法測(cè)電阻

電阻測(cè)試通常原理是恒流測(cè)壓，測(cè)量?jī)x器產(chǎn)生恒定數(shù)值的測(cè)量電流I，通過兩根測(cè)量引線分別接觸待測(cè)電阻Rx兩端，當(dāng)電流I流過Rx時(shí)，測(cè)得Rx兩端電壓為Ux，Rx=Ux/I，但是引線也是有電阻的，尤其在測(cè)量微小電阻時(shí)，引線上的電阻不能忽略不計(jì)，實(shí)際Rx=（Ux+2Ur）/I。

采用四線法測(cè)量時(shí)，由于四條引線分別形成電壓回路和電流回路，電壓測(cè)量回路的阻抗很大，流過的電流可以忽略，Rx=U/I是更加精確的，所以四線法測(cè)電阻被廣泛采用。

13、二極管的耐壓過程

功率PiN二極管反偏時(shí)的反向擊穿電壓VBR主要是結(jié)的低摻雜一側(cè)的雜質(zhì)濃度決定。考慮一般的非穿通情況，本征i區(qū)的寬度比空間電荷區(qū)的寬度要寬，二極管的擊穿電壓可以由下式來表示：

其中：EBR為臨界擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度，ε0為自由空間介電常數(shù)， εr為相對(duì)介電常數(shù)，ND為施主濃度。根據(jù)上式，我們可以看出，要想使二極管具有較高的擊穿電壓 VBR，硅片初始材料應(yīng)具有較低的施主雜質(zhì)濃度 ND，也就是說要具有較高的電阻率。為了能夠讓空間電荷區(qū)在反偏時(shí)有足夠的擴(kuò)展空間，F(xiàn)RD 的漂移區(qū)還必須具有比較大的厚度。但對(duì)于低正向壓降的要求來說，必須保證載流子具有較長(zhǎng)的壽命以保證在正向大注時(shí)實(shí)現(xiàn)高度的電導(dǎo)調(diào)制。因此高反向擊穿電壓和低正向壓降對(duì)高阻層的要求是相互矛盾的，在器件設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到。下面我只是想把耗盡過程表達(dá)清楚，耗盡線是我隨便瞎畫的。個(gè)人認(rèn)為PN結(jié)的耐壓過程很重要，初學(xué)者一定要去查閱資料文獻(xiàn)將其搞懂。

圖中黑色的數(shù)字，代表各位置的大致電位，這里想表達(dá)的是，電勢(shì)只會(huì)在耗盡區(qū)進(jìn)行降落，耗盡區(qū)以外的區(qū)域電勢(shì)不變，稱為中性區(qū)，換句話說，只有耗盡層的展寬程度才是耐壓大小的決定性因素。所以對(duì)于高壓應(yīng)用的場(chǎng)合，普遍采用N漂移區(qū)來提升器件的耐壓特性。

器件提前擊穿原因有很多，比如某處電場(chǎng)太強(qiáng)（通常在鳥嘴處，溝槽柵拐角等這些曲率較小的地方），超過硅基的臨界擊穿電場(chǎng)（一般認(rèn)為25萬-30萬V/m）。

理論這種東西基本上全靠自己去悟，沒有誰可以指導(dǎo)誰，也不是教授博士說的就一定是對(duì)的，論文都有錯(cuò)的，比如很多論文里的NMOS的N說成N-type，但嚴(yán)格來講是指N-channel，從來沒有N-type這種說法。公眾號(hào)里寫的肯定有錯(cuò)誤的地方，但我覺得錯(cuò)不可怕，如果看一個(gè)公眾號(hào)可以提起你對(duì)這一方向的興趣，從而好像找到了自己的方向，開始去搜索研究論文，激情于仿真，測(cè)試等等，我想這個(gè)公眾號(hào)就是成功的。