功率半導(dǎo)體器件這種筆記(2)

1、淺談二極管

下面是貼片二極管封裝圖，一般帶白線的是陰極，如果不清楚，就用萬用表調(diào)制二極管檔，當(dāng)出現(xiàn)零點(diǎn)幾伏壓降的時(shí)候，紅表筆就代表二極管陽極，黑表筆代表陰極。

順便說一下貼片MOS和IGBT封裝圖，中間的是高壓端，下面有大塊金屬的用來散熱的，如果有體二極管，將gs短接（保證Vgs=0）作為二極管陽極，漏作為二極管陰極。

（1）PN結(jié)

對于P型半導(dǎo)體，空穴是多子，電子是少子。對于N型半導(dǎo)體，電子是多子，空穴是少子。P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體接觸，且不加任何外加電壓時(shí)，由于濃度差，P區(qū)的空穴會(huì)向N區(qū)擴(kuò)散，N區(qū)的電子會(huì)向P區(qū)擴(kuò)散。在接觸的界面（就是PN結(jié)），P區(qū)的空穴擴(kuò)散到N區(qū)使得P區(qū)界面留下不可移動(dòng)帶負(fù)電荷離子，N區(qū)的電子擴(kuò)散到P區(qū)使得N區(qū)界面留下不可移動(dòng)帶正電荷的離子。這樣就在PN結(jié)交界面處形成了由N指向P的內(nèi)建電場，使得電子又從P漂移到N區(qū)，空穴從N區(qū)漂移到P區(qū)，與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)是個(gè)相反的過程。當(dāng)載流子擴(kuò)散的速度等于其漂移速度時(shí)，就達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡，這個(gè)空間電荷區(qū)缺少多子，這就是PN結(jié)形成的過程和特點(diǎn)。

（2）正向性
外加正向電壓時(shí)，在正向特性的起始部分，正向電壓很小，不足以克服PN結(jié)內(nèi)電場的阻擋作用，正向電流幾乎為零，這一段稱為死區(qū)。這個(gè)不能使二極管導(dǎo)通的正向電壓稱為死區(qū)電壓。當(dāng)正向電壓大于死區(qū)電壓以后，PN結(jié)內(nèi)電場被克服，二極管正向?qū)?，電流隨電壓增大而迅速上升。在正常使用的電流范圍內(nèi)，導(dǎo)通時(shí)二極管的端電壓幾乎維持不變，這個(gè)電壓稱為二極管的正向電壓。當(dāng)二極管兩端的正向電壓超過一定數(shù)值Vth，內(nèi)電場很快被削弱，特性電流迅速增長，二極管正向?qū)?。硅二極管的正向?qū)▔航导s為0.6~ 0.8V，鍺二極管的正向?qū)▔航导s為0.2~0.3V。導(dǎo)致二者不同的根本原因在于其禁帶寬度不同。

根據(jù)二極管的電流方程：

可以繪出下圖二極管伏安特性曲線。

二極管伏安特性曲線圖

（3）反向性

外加反向電壓不超過一定范圍時(shí)，通過二極管的電流是少數(shù)載流子漂移運(yùn)動(dòng)所形成反向電流。由于反向電流很小，二極管處于截止?fàn)顟B(tài)。這個(gè)反向電流又稱為反向飽和電流或漏電流，二極管的反向飽和電流受溫度影響很大。一般硅管的反向電流比鍺管小得多，小功率硅管的反向飽和電流在nA數(shù)量級，小功率鍺管在μA數(shù)量級。溫度升高時(shí)，半導(dǎo)體受熱激發(fā)，少數(shù)載流子數(shù)目增加，反向飽和電流也隨之增加。
由上面二極管電流方程可知，當(dāng)U大于死區(qū)電壓時(shí)，e的指數(shù)值很大，-1可以忽略，而當(dāng)U小于0，e的指數(shù)為負(fù)數(shù)，趨近于0，所以I約等于Is，即漏電流。

（4）二極管電容特性

勢壘電容：由勢壘區(qū)的空間電荷隨外加電壓變化而引起。

擴(kuò)散電容：由勢壘區(qū)兩邊積累的非平衡少子電荷隨外加電壓變化而引起。

PN 結(jié)是功率二極管器件的重要組成部分，它是由連接P摻雜和N摻雜的區(qū)域而構(gòu)成，接觸的面叫冶金接面。兩個(gè)區(qū)域接觸后，由于擴(kuò)散的作用，兩邊會(huì)產(chǎn)生一些固定不動(dòng)的帶電離子，從而形成一個(gè)電場。正是這個(gè)電場，讓PN結(jié)具有了不同的重要特性，其中一個(gè)最重要的就是電容特性。由于PN結(jié)電容特性的影響，決定了充放電需要時(shí)間，也即是功率二極管不能立即開通或關(guān)斷。因此如何提高功率二極管的開關(guān)時(shí)間和改善功率二極管的開關(guān)特性也就成了一個(gè)非常重要的問題。

除PN結(jié)二極管，還有肖特基二極管，它是由金屬和半導(dǎo)體直接接觸形成，跟PN結(jié)二極管相比，金半接觸的肖特基二極管具有更低的導(dǎo)通壓降，更快的反向恢復(fù)，但是正向電流密度更?。ㄐぬ鼗鶎?dǎo)電只有電子，PN結(jié)導(dǎo)電有空穴和電子）和反向漏電更大，反向擊穿電壓一般不足100稱為肖特基二極管的短板。

關(guān)于二極管反向恢復(fù)特性，我在下面單獨(dú)講。

2、什么叫器件的短路特性？

柵端給以高電平讓IGBT開啟，并持續(xù)足夠長時(shí)間，IGBT陽極通常加一個(gè)小電阻Rd，幾歐姆到幾十歐姆，柵端也會(huì)加?xùn)烹娮鑂g，Rg越大，柵電容充放電時(shí)間越長，IGBT開關(guān)速度就越慢，Rg的選取，幾歐到上千都可以，看需求。同時(shí)右端的電壓源是一直供電的，可以給上百伏。

如圖所示的是IGBT的一個(gè)短路特性inspect曲線圖，橫坐標(biāo)是時(shí)間，縱坐標(biāo)是陽極電流，首先是電流快速增加，當(dāng)電流達(dá)到飽和以后，電流穩(wěn)定在一個(gè)值，理論上是水平的，但是隨著時(shí)間的增加，器件溫度的升高，飽和電流值會(huì)有一定的下降，當(dāng)器件發(fā)生過熱失效，于是電流就會(huì)急劇增加。為什么會(huì)失效，可以這樣理解，器件長時(shí)間工作在大電壓大電流情況下，器件內(nèi)部也有電阻，會(huì)產(chǎn)生能量，這種能量只能以熱的形式散發(fā)出去，器件工作越久，功率越大，溫度就越高。一般認(rèn)為，飽和電流相同時(shí)，短路不失效時(shí)間越久，短路特性越好，提升器件短路特性一般可以從內(nèi)部結(jié)構(gòu)降低功耗和外部封裝加快散熱等角度考慮。仿真的話一般選擇加熱模型，具體怎么加可以去查閱手冊。不加熱模型，仿真出來的是300K（27℃），器件每個(gè)地方溫度都是一樣的，當(dāng)加了熱模型以后，器件仿真完后，選擇晶格溫度后會(huì)發(fā)現(xiàn)不同地方顏色是不一樣的，如下圖。

3、UIS特性是什么玩意？

UIS是Unclamped InductiveSwiching的縮寫，UIS特性通常用來描述功率開關(guān)器件（MOS/IGBT）在非鉗電感電路中能夠承受電流能力大小的能力，或用來描述功率開關(guān)器件在雪崩擊穿下負(fù)載能量的能力。UIS特性的好壞直接影響到器件的安全工作區(qū)及壽命，因此UIS被認(rèn)為功率開關(guān)器件安全性的重要指標(biāo)。
柵極給以下圖這樣的柵脈沖，先讓開關(guān)管開啟，并通過Vdc給電感充電，一段時(shí)間后關(guān)斷。

電感電流電壓公式是V/L=di/dt，所以當(dāng)IGBT開啟時(shí)，電流是從0開始以V/L斜率隨時(shí)間線性上升，一直到柵關(guān)斷。當(dāng)IGBT關(guān)斷以后，電感內(nèi)的電流不能突變，只能強(qiáng)行通過IGBT，IGBT是關(guān)斷的，這個(gè)時(shí)候的電流應(yīng)該叫雪崩電流。柵電位變?yōu)?并持續(xù)足夠長時(shí)間，看IGBT在此情況下多久可以不失效，如果出現(xiàn)電流迅速增加，則IGBT失效。當(dāng)然不光是IGBT，也可以用此方法來考察MOS的UIS能力。

4、什么叫二極管的反向恢復(fù)？

P型半導(dǎo)體是由三價(jià)元素?fù)饺牍柚行纬傻模昭ㄊ嵌嘧?，電子是少子。N型半導(dǎo)體是由五價(jià)元素?fù)饺牍柚行纬傻?，電子是多子，空穴是少子。PN結(jié)二極管以少子的形式儲存電荷，并傳導(dǎo)正向電流。少子從P+區(qū)和 N+區(qū)注入高阻區(qū)是一種電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，該效應(yīng)能夠使二極管的正向?qū)娮铚p小，在這一方面上，該效應(yīng)對二極管的導(dǎo)通功耗上是有好處的。如果在正偏時(shí)的二極管上加反向電壓后，PN結(jié)不是瞬間由開態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)態(tài)，這是由于導(dǎo)通時(shí)在高阻區(qū)存貯有大量少數(shù)載流子，故到截止時(shí)要把這些少數(shù)載流子完全抽出或是中和掉是需要一定時(shí)間的，即反向阻斷能力的恢復(fù)需要經(jīng)過一段時(shí)間，這個(gè)過程就是反向恢復(fù)過程，發(fā)生這一過程所用的時(shí)間定義為反向恢復(fù)時(shí)間trr。

在如圖所示的反向恢復(fù)測試電路中，給柵端以雙脈沖信號。當(dāng)柵為高電平時(shí)，下管（開關(guān)管）溝道開啟，電流經(jīng)由電感和下管到地，給電感充電，并且二極管處于反向耐壓狀態(tài)。當(dāng)柵端由高電位變?yōu)榈碗娢粫r(shí)，下管關(guān)斷，由于電感電流不能突變，電感中的電流只能經(jīng)由二極管進(jìn)行續(xù)流，二極管陽極電位抬升，并進(jìn)入正向?qū)顟B(tài)。當(dāng)柵端由低電位再次變?yōu)楦唠娢粫r(shí)，下管開啟，二極管陽極被拉至0，二極管由正向?qū)ㄗ優(yōu)榉聪蜿P(guān)斷狀態(tài)，經(jīng)歷反向恢復(fù)過程，待反向恢復(fù)完成，二極管處于反向耐壓狀態(tài)，電路通過VBUS繼續(xù)給電感充電。如圖，IF稱為二極管續(xù)流電流，trr稱為二極管反向恢復(fù)時(shí)間，Irrm稱為反向恢復(fù)尖峰電流，di/dt稱為電流變化率，Qrr稱為反向恢復(fù)電荷。根據(jù)公式V/L=di/dt（電感電流是以固定斜率線性上升的），通過控制時(shí)間T2，電感L和電壓V，即可控制續(xù)流電流IF。通過控制柵電阻R和時(shí)間T5，可以控制下面的開關(guān)管的開啟速度，從而控制二極管反向恢復(fù)電流變化率di/dt。

反向恢復(fù)過程可分為以下五個(gè)階段：

下圖給出了二極管的反向恢復(fù)波形，一旦二極管電流開始下降，第1階段開始（t0~t1）。此時(shí)，下面開關(guān)管T接通。負(fù)載電流開始從二極管D1轉(zhuǎn)移到開關(guān)管T。然后二極管電流減小。然而，由于二極管仍處于正向?qū)顟B(tài)，二極管電壓保持VAC>0（A代表陽極，英文是anode，C代表陰極，英文是cathode）。在t1時(shí)刻,二極管電流達(dá)到零，第2階段開始。在此階段，二極管開始反向恢復(fù)，二極管電流從零下降到峰值反向電流。此時(shí)，一小部分耗盡區(qū)開始在pn結(jié)交界面形成。然而，由于垂直PN結(jié)的其他部分沒有耗盡并且仍然處于正向偏壓狀態(tài)，二極管現(xiàn)在不能支持反向電壓。二極管電壓因此被鉗制在一個(gè)小的正值。在t2時(shí)刻，二極管開始支持反向電壓，第3階段開始。此時(shí)耗盡區(qū)延伸到整個(gè)PN結(jié),二極管反向電壓向電壓快速增加。同時(shí)，二極管電流（絕對值）仍朝峰值反向電流增加。由于耗盡區(qū)迅速擴(kuò)展，耗盡區(qū)內(nèi)儲存電荷被完全去除，導(dǎo)致峰值反向電流非常高。在t3時(shí)刻，二極管電壓達(dá)到-VR，第4階段開始。此時(shí)，二極管反向電流達(dá)到峰值。之后，二極管反向電流回到零。由于di/dt變?yōu)檎?，?dǎo)致二極管產(chǎn)生過沖電壓。在t4時(shí)刻，當(dāng)二極管反向電壓達(dá)到峰值VRM時(shí)，第5階段開始，di/dt達(dá)到最大值。在t5之后，二極管電壓穩(wěn)定在-VR，二極管內(nèi)電流變?yōu)榱悖O管完成反向恢復(fù)。二極管反向恢復(fù)末期存在振蕩，仿真中不明顯，但測試中振蕩現(xiàn)象很明顯。

5、淺談寄生NPN開啟

NPN開啟主要是存在三個(gè)方面，一種情況是開態(tài)的時(shí)候，NPN開啟，上期所講的IGBT閂鎖就是如此。第二種情況是由開態(tài)到關(guān)態(tài)的這個(gè)過程中，漂移區(qū)存在著大量載流子，這些載流子是由正向?qū)ǖ臅r(shí)候所注入的，比如在LDMOS中，體二極管導(dǎo)通時(shí)，柵極和源極短接作為體二極管的陽極，漏極作為體二極管的陰極，正向?qū)〞r(shí)，陽極為高電位，陰極是0，如果突然將陽極變?yōu)?陰極變?yōu)楦唠娢?，那么體二極管就會(huì)經(jīng)歷反向恢復(fù)，空穴從漂移區(qū)經(jīng)過p型體區(qū)，源極P+抽取回源極，而電子經(jīng)過漂移區(qū)，n緩沖區(qū)和漏極N+回到漏極。由于p型體區(qū)電阻的存在，空穴抽取又會(huì)形成空穴電流，源極N+又是0電位，假如在空穴從P體區(qū)抽取回源極過程中，源極N+和其下方P型體區(qū)之間產(chǎn)生0.7伏的壓降，那么由p型體區(qū)和源極N+構(gòu)成的PN結(jié)就會(huì)開啟，大量的電子就會(huì)從源極注入到漂移區(qū)。本來關(guān)斷時(shí)的抽取是為了讓漂移區(qū)內(nèi)載流子減少甚至消失的，結(jié)果這個(gè)NPN（源極N+，Pbody，Ndrift）誤開啟讓器件無法關(guān)斷，電流不減反增。關(guān)于這一方面，有很多論文提出了很多方案來抑制NPN的開啟，

除此之外，還有第三種NPN開啟，雖然是同一種NPN，但是原理是不一樣的。這種NPN開啟是在器件本身就處于關(guān)斷狀態(tài)下的，并沒有經(jīng)歷開啟這個(gè)過程。直接給器件加反向偏壓，此時(shí)器件也是有反向漏電流的，因?yàn)槠茀^(qū)本身也是存在空穴和電子的，耐壓的時(shí)候，耗盡層需要展寬，處于耗盡區(qū)（漂移區(qū)）內(nèi)的載流子都要滾蛋，空穴回你的源極（發(fā)射極），電子回你的漏極（集電極），空穴在抽取回源極時(shí)，一樣也會(huì)發(fā)生寄生NPN開啟的情況，下面的圖是RC-IGBT在持續(xù)加反向電壓情況下的電壓和反向電流測試曲線。

（1）反向電壓765V，13.35mA時(shí)正常。圖中5mA和100V表示每一格的分度值。

（2）繼續(xù)加大反向電壓到778V，雪崩電流明顯增加。

（3）器件發(fā)熱雪崩電流已經(jīng)很大。

（4）反向電壓掉落，寄生NPN開啟，失去耐壓能力。

（5）寄生NPN開啟不需要那么大的電壓，所以電壓會(huì)一直掉落。

從上所述來看，寄生NPN開啟帶來的影響都是負(fù)面的，有的研究是利用寄生NPN開啟的呢，感興趣可以去了解。

附1：關(guān)于Sentaurus補(bǔ)充

（1）SSE如何查錯(cuò)

有的人SentaurusSE跑紅報(bào)錯(cuò)竟不知所措，錯(cuò)誤其實(shí)非常好找的，雙擊紅色的節(jié)點(diǎn)，再點(diǎn)擊.out或者log.err就知道錯(cuò)誤的地方了。

錯(cuò)誤種類太多了我無法把錯(cuò)誤全部羅列出來，有的是英文分號輸入成中文分號無法識別的，有的是電極沒有定義上的，也有的需要把后面SDE刪除了才能跑的，大家在仿真過程中慢慢積累。實(shí)在找不出錯(cuò)誤就把這個(gè)工程復(fù)制一份出來，一行一行代碼復(fù)制進(jìn)去running直到你復(fù)制到某一行跑紅了是不是就找到錯(cuò)誤的地方了。這玩意找錯(cuò)比起軟件碼農(nóng)找錯(cuò)簡單多了呢。

（2）Tecplot如何交換XY坐標(biāo)軸

求教大佬的，在這里share給大家

附2：江浙滬地區(qū)功率器件公司羅列（僅羅列出部分）：

附3：

（1）服務(wù)器上不了網(wǎng)，如何上網(wǎng)，比如下載yum庫？

root后gedit /etc/resolv.conf 加入如nameserver 114.114.114.114后保存，這樣就可以下載yum庫了，yum裝完記得回來把這個(gè)刪除。

（2）服務(wù)器安裝軟件較多，打開速度太慢怎么搞？

root后gedit /etc/resolv.conf 刪除所有內(nèi)容后保存，再打開軟件（swb，inspect，tecplotSV都會(huì)快）就快了，不是軟件裝多的問題。

（3）服務(wù)器安全聯(lián)網(wǎng)設(shè)置