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碳化硅肖特基二極�
閱讀�4216�(shí)間:2017-07-19 09:37:25

    肖特基二極管是通過金屬與N�半導(dǎo)�之間形成的接觸勢(shì)壘具有整流特性而制成的一種屬-半導(dǎo)體器�。肖特基二極�的基本結(jié)�(gòu)是重?fù)诫s的N�4H-SiC片�4H-SiC外延�、肖基觸層和歐姆接觸層�

目錄

碳化�

    碳化硅材料的�(fā)展和�(yōu)�(shì)

    碳化硅早� 1842 年就被發(fā)�(xiàn)�,但因其制備�(shí)的工藝難度大,并且器件的成品率低,導(dǎo)致了�(jià)格較�,這影響了它的�(yīng)用。直� 1955 �,生�(zhǎng)高品�(zhì)碳化硅的方法出現(xiàn)促�(jìn)� SiC 材料的發(fā)�,在航天、航�、雷�(dá)和核能開�(fā)的領(lǐng)域得到應(yīng)用�1987 �,商�(yè)化生�(chǎn)� SiC �(jìn)入市�(chǎng),并�(yīng)用于石油�?zé)岬目碧健⒆冾l空調(diào)的開�(fā)、平板電視的�(yīng)用以及太陽能變換的領(lǐng)域�

    碳化硅材料有很多�(yōu)�(diǎn),如禁帶寬度很大、臨界擊穿場(chǎng)�(qiáng)很高、熱�(dǎo)率很�、飽和電子漂移速度很高和介電常�(shù)很低。首先大的禁帶寬�,如 4H-SiC其禁帶寬度為 3.26 eV,是硅材料禁帶寬度的三倍多,這使得器件能耐高溫并且能�(fā)射藍(lán)�;高的臨界擊穿場(chǎng)�(qiáng),碳化硅的臨界擊穿場(chǎng)�(qiáng) (2-4 MV/cm)很高�4H-SiC的臨界擊穿場(chǎng)�(qiáng)� 2.2 MV/cm,這要高出 Si � GaAs 一�(gè)�(shù)量級(jí),所以碳化硅器件能夠承受高的電壓和大的功�;大的熱�(dǎo)�,熱�(dǎo)率是 Si � 3.3 倍和 GaAs �10 倍,熱導(dǎo)率大,器件的�(dǎo)熱性能就好,集成電路的集成度就可以提高,但散熱系統(tǒng)卻減少了,�(jìn)而整�(jī)的體積也大大減小�;高的飽和電子漂移速度和低的介電常�(shù)能夠允許器件工作在高�、高速下。但是值得注意的是碳化硅具有閃鋅礦和纖鋅礦�(jié)�(gòu),結(jié)�(gòu)中每�(gè)原子都被四�(gè)異種原子包圍,雖� Si-C 原子�(jié)合為共價(jià)�,但硅原� 1.8 的負(fù)電性小于負(fù)電性為 2.6 � C 原子,根�(jù) Pauling 公式,離子鍵合作用貢�(xiàn)約占 12%,從而對(duì)載流子遷移率有一定的影響,據(jù)目前已發(fā)表的�(shù)�(jù),各種碳化硅同素異形體中,輕摻雜� 3C-SiC 的載流子遷移�,與之相�(guān)的研究工作也較多,在較高純的 3C-SiC �,其電子遷移率可能會(huì)超過 1000 cm/(V.s�,的跟硅也有一定的差距�

    � Si � GaAs 相比,除�(gè)別參�(shù)外(遷移率),SiC 材料的電熱學(xué)品質(zhì)全面�(yōu)� Si � GaAs 等材�,僅次于金剛�。因此碳化硅器件在高頻、大功率、耐高�、抗輻射等方面具有巨大的�(yīng)用潛�,它可以在電力電子技�(shù)�(lǐng)域打破硅的極限,成為下一代電力電子器��

    碳化硅功率器件的�(fā)展現(xiàn)狀

    碳化硅器件的出現(xiàn)大大的改善了半導(dǎo)體器件的性能,滿足國民經(jīng)�(jì)和國防建�(shè)的需�,目前,美國、德國、瑞�、日本等�(fā)�(dá)國家正競(jìng)相投入巨資對(duì)碳化硅材料和器件�(jìn)行研究。美國國防部� 20 世紀(jì) 90 年代就開始支持碳化硅功率器件的研�,在 1992 年就成功研究出了阻斷電壓� 400 V 的肖特基二極管。碳化硅肖特基勢(shì)壘二極管� 21 世紀(jì)初成為首例市�(chǎng)化的碳化硅電力電子器�。美國Semisouth 公司研制� SiC SBD�100 A�600 V�300 ℃下工作)已�(jīng)用在美國空軍多電飛機(jī)。由碳化� SBD �(gòu)成的功率模塊可在高溫、高�、強(qiáng)輻射等惡劣條件下使用。目前反向阻斷電壓高�(dá) 1200 V 的系列產(chǎn)�,其額定電流可達(dá)� 20 A。碳化硅 SBD 的研�(fā)已經(jīng)�(dá)到高壓器件的水平,其阻斷電壓超過 10000 V,大電流器件通態(tài)電流�(dá) 130 A的水��

    SiC PiN 的擊穿電壓很高,開關(guān)速度很快,重量很�,并且體積很�,它� 3KV以上的整流器�(yīng)用領(lǐng)域更加具有優(yōu)�(shì)�2000年Cree公司研制�19.5 KV的臺(tái)面PiN二極管,同一�(shí)期日本的 Sugawara 研究室也研究出了 12 KV 的臺(tái)� PiN 二極��2005 � Cree 公司�(bào)道了 10 KV�3.75 V�50 A � SiC PiN 二極�,其 10 KV/20 A PiN二極管系列的合格率已�(jīng)�(dá)� 40%�

    SiC MOSFET 的比�(dǎo)通電阻很�,工作頻率很高,在高溫下能夠�(wěn)定的工作,它在功率器件領(lǐng)域很有應(yīng)用前景。目前國際上�(bào)道的幾種�(jié)�(gòu):UMOS、VDMOS、LDMOS、UMOS ACCUFET,以� SIAFET ��2008 年報(bào)道的� RESURF �(jié)�(gòu)LDMOS,具� 1550 V 阻斷電壓.

    SBD 在導(dǎo)通過程中沒有額外載流子的注入和儲(chǔ)�,因而反向恢�(fù)電流�,關(guān)斷過程很�,開�(guān)損耗小。傳�(tǒng)的硅肖特基二極管,由于所有金屬與硅的功函�(shù)差都不很大,硅的肖特基勢(shì)壘較�,硅 SBD 的反向漏電流偏大,阻斷電壓較�,只能用于一二百伏的低電壓場(chǎng)合且不適合在 150 ℃以上工作。然�,碳化硅 SBD彌補(bǔ)了硅 SBD 的不�,許多金�,例如鎳、金、鈀、鈦、鈷�,都可以與碳化硅形成肖特基勢(shì)壘高� 1 eV 以上的肖特基接觸。據(jù)�(bào)�,Au/4H-SiC 接觸的勢(shì)壘高度可�(dá)� 1.73 eV,Ti/4H-SiC 接觸的勢(shì)壘比較低,但也可以達(dá)� 1.1 eV�6H-SiC與各種金屬接觸之間的肖特基勢(shì)壘高度變化比較寬,只� 0.5 eV,可�(dá)1.7 eV。于是,SBD 成為人們開�(fā)碳化硅電力電子器件首先關(guān)注的�(duì)�。它是高壓快速與低功率損�、耐高溫相�(jié)合的理想器件。目前國際上相繼研制成功水平較高的多種類的碳化硅器件�

    SiC 肖特基勢(shì)壘二極管� 1985 年問�,是 Yoshida 制作� 3C-SiC 上的,它的肖特基�(shì)壘高度用電容�(cè)量是 1.15 (±0.15) eV,用光響�(yīng)�(cè)量是 1.11 (±0.03) eV,它的擊穿電壓只�8 V,只6H-SiC肖特基二極管的擊穿電壓大約有200 V,它是由 Glover. G. H �(bào)道出來的。Bhatnagar �(bào)道了�(gè)高壓 400 V 6H-SiC 肖特基勢(shì)壘二極管 ,這�(gè)二極管有低通態(tài)壓降�1 V�,沒有反向恢�(fù)電流。隨著碳化硅單晶、外延質(zhì)量及碳化硅工藝水平不斷地不斷提高,越來越多性能�(yōu)越的碳化硅肖特基二極管被�(bào)��1993 年報(bào)道了只擊穿電壓超� 1000V的碳化硅肖特基二極管,該器件的肖特基接觸金屬� Pd,它采用 N 型外延的摻雜濃度1×10cm,厚度是 10μm。高�(zhì)量的4H-SiC單晶的在 1995 年左右出�(xiàn),它�6H-SiC的電子遷移率要高,臨界擊穿電�(chǎng)要大很多,這使得人們更傾向于研�4H-SiC的肖特基二極�。Ni/4H-SiC 肖特基二極管是在 1995年次被報(bào)道的,它采用的外延摻雜濃度為 1×1016 cm,厚� 10 μm,擊穿電壓達(dá)� 1000 V,在 100A/cm �(shí)正向壓降很低� 1.06 V,室溫下比導(dǎo)通電阻很低,� 2×10 ?·cm�2005 � Tomonori Nakamura 等人� Mo 做肖特基接觸,擊穿電壓為 4.15 KV,比接觸電阻� 9.07 m?·cm,并且隨著退火溫度的升高,該肖特基二極管的勢(shì)壘高度也升高,在 600 ℃的退火溫度下,其�(shì)壘高度為 1.21 eV,而理想因子很�(wěn)定,隨著退火溫度的升高理想因子沒有多少變化� J. H. Zhao 采用 N 型碳化硅外延,用多級(jí)�(jié)終端�(kuò)展技�(shù)制作出擊穿電壓高�(dá)10.8 KV Ni/4H-SiC 肖特基二極管,外延的摻雜濃度� 5.6×10cm,厚度為115μm,此肖特基二極管利用多級(jí)�(jié)終端�(kuò)展技�(shù)來保�(hù)肖特基結(jié)邊緣以防止它提前擊穿�

    國內(nèi)� SiC 功率器件研究方面�?yàn)槭艿?SiC 單晶材料和外延設(shè)備的限制起步比較�,但是卻緊緊跟蹤國外碳化硅器件的�(fā)展形�(shì)。國家十分重視碳化硅材料及其器件的研究, 在國家的大力支持下經(jīng)已經(jīng)初步形成了研� SiC 晶體生長(zhǎng)、SiC器件�(shè)�(jì)和制造的�(duì)�。電子科技大學(xué)致力于器件結(jié)�(gòu)�(shè)�(jì)方面,在新結(jié)�(gòu)、器件結(jié)終端和器件擊穿機(jī)理方面做了很多的工作,并且提出寬禁帶半導(dǎo)體器件優(yōu)值理論和寬禁帶半�(dǎo)體功率雙極型晶體管特性理��

    34H-SiC �(jié)�(shì)壘肖特基二極�

    功率二極管是功率半導(dǎo)體器件的重要組成部分,主要包� PiN 二極管,肖特基勢(shì)壘二極管和結(jié)�(shì)壘控制肖特基二極�。本章主要介紹了肖特基勢(shì)壘的形成及其主要電流輸運(yùn)�(jī)理。并詳細(xì)介紹了肖特基二極管和�(jié)�(shì)壘控制肖特基二極管的電學(xué)特性及其工作原�,為后兩章對(duì) 4H-SiC JBS 器件電學(xué)特性的仿真研究奠定了理論基�(chǔ)�

    肖特基二極管

    肖特基二極管是通過金屬與N型半�(dǎo)體之間形成的接觸�(shì)壘具有整流特性而制成的一種屬-半導(dǎo)體器�。肖特基二極管的基本�(jié)�(gòu)是重?fù)诫s的N�4H-SiC��4H-SiC外延層、肖基觸層和歐姆接觸�。由于電子遷移率比空穴高,采用N型Si 、SiC 或GaAs為材�,以獲得良好的頻率特�,肖特基接觸金屬一般選用金、鉬、鎳、鋁等。金�-半導(dǎo)體器件和PiN�(jié)二極管類�,由于兩者費(fèi)米能�(jí)不同,金屬與半導(dǎo)體材料交界處要形成空間電荷區(qū)和自建電�(chǎng)。在外加電壓為零�(shí),載流子的擴(kuò)散運(yùn)�(dòng)與反向的漂移�(yùn)�(dòng)�(dá)到動(dòng)�(tài)平衡,這時(shí)金屬與N�4H-SiC半導(dǎo)體交界處形成一�(gè)接觸�(shì)�,這就是肖特基�(shì)�。肖特基二極管就是依�(jù)此原理制作而成�

    肖特基接�

    金屬與半�(dǎo)體的功函�(shù)不同,電荷越過金�/半導(dǎo)體界面遷移,�(chǎn)生界面電�(chǎng),半�(dǎo)體表面的能帶�(fā)生彎�,從而形成肖特基�(shì)�,這就是肖特基接觸。金屬與半導(dǎo)體接觸形成的整流特性有兩種形式,一種是金屬� N 型半�(dǎo)體接觸,� N 型半�(dǎo)體的功函�(shù)小于金屬的功函數(shù);另一種是金屬� P 型半�(dǎo)體接�,且 P 型半�(dǎo)體的功函�(shù)大于金屬的功函數(shù)�

    金屬� N � 4H-SiC 半導(dǎo)體體�(nèi)含有大量的導(dǎo)電載流子。金屬與 4H-SiC 半導(dǎo)體材料的接觸僅有原子大小的數(shù)量級(jí)間距�(shí)�4H-SiC 半導(dǎo)體的�(fèi)米能�(jí)大于金屬的費(fèi)米能�(jí)。此�(shí) N � 4H-SiC 半導(dǎo)體內(nèi)部的電子濃度大于金屬�(nèi)部的電子濃度,兩者接觸后,導(dǎo)電載流子�(huì)� N � 4H-SiC 半導(dǎo)體遷移到金屬�(nèi)�,從而使 4H-SiC 帶正電荷,而金屬帶�(fù)電荷。電子從 4H-SiC 向金屬遷�,在金屬� 4H-SiC 半導(dǎo)體的界面處形成空間電荷區(qū)和自建電�(chǎng),并且耗盡區(qū)只落� N � 4H-SiC 半導(dǎo)體一�(cè),在此范圍內(nèi)的電阻較�,一般稱作“阻擋層�。自建電�(chǎng)方向� N � 4H-SiC �(nèi)部指向金�,因?yàn)闊犭娮影l(fā)射引起的自建�(chǎng)增大,導(dǎo)致載流子的擴(kuò)散運(yùn)�(dòng)與反向的漂移�(yùn)�(dòng)�(dá)到一�(gè)靜態(tài)平衡,在金屬�4H-SiC 交界面處形成一�(gè)表面�(shì)�,稱作肖特基�(shì)壘�4H-SiC 肖特基二極管就是依據(jù)這種原理制成��

    肖特基勢(shì)壘中載流子的輸運(yùn)�(jī)�

    金屬與半�(dǎo)體接觸時(shí),載流子流經(jīng)肖特基勢(shì)壘形成的電流主要有四種輸�(yùn)途徑。這四種輸�(yùn)方式為:

    1、N � 4H-SiC 半導(dǎo)體導(dǎo)帶中的載流子電子越過�(shì)壘頂部熱�(fā)射到金屬�

    2、N � 4H-SiC 半導(dǎo)體導(dǎo)帶中的載流子電子以量子力�(xué)隧穿效應(yīng)�(jìn)入金��

    3、空間電荷區(qū)中空穴和電子的復(fù)��

    4�4H-SiC 半導(dǎo)體與金屬由于空穴注入效應(yīng)�(dǎo)致的的中性區(qū)�(fù)��

    載流子輸�(yùn)主要由前兩種情況決定,第 1 種輸�(yùn)方式� 4H-SiC 半導(dǎo)體導(dǎo)帶中的載流子越過�(shì)壘頂部熱�(fā)射到金屬�(jìn)行電流輸�(yùn),也就是整流接觸。第 2 種輸�(yùn)方式又分成兩�(gè)狀�,隨� 4H-SiC 半導(dǎo)體摻雜濃度的增加,耗盡層逐漸變薄,肖特基�(shì)壘也逐漸降低�4H-SiC 半導(dǎo)體導(dǎo)帶中的載流子由隧穿效�(yīng)�(jìn)入到金屬的幾率變�。一種是4H-SiC 半導(dǎo)體的摻雜濃度非常大時(shí),肖特基�(shì)壘變得很�,N � 4H-SiC 半導(dǎo)體的載流子能量和半導(dǎo)體費(fèi)米能�(jí)相近�(shí)的載流子以隧道越過勢(shì)壘區(qū),稱為場(chǎng)�(fā)�。另一種是載流子在 4H-SiC 半導(dǎo)體導(dǎo)帶的底部隧道穿過�(shì)壘區(qū)較難,而且也不用穿過勢(shì)壘,載流子獲得較大的能量�(shí),載流子碰見一�(gè)相對(duì)較薄且能量較小的�(shì)壘時(shí),載流子的隧道越過勢(shì)壘的幾率快速增�,這稱為熱電子�(chǎng)�(fā)射�

    反向截止特�

    肖特基二極管的反向阻斷特性較�,是受肖特基�(shì)壘變低的影響。為了獲得高擊穿電壓,漂移區(qū)的摻雜濃度很�,因此勢(shì)壘形成并不求助于減小 PN �(jié)之間的間距。調(diào)整肖特基間距獲得� PiN 擊穿電壓接近� JBS,但� JBS 的高溫漏電流大于 PiN,這是來源于肖特基區(qū)。JBS 反向偏置�(shí),PN �(jié)形成的耗盡區(qū)將會(huì)向溝道區(qū)�(kuò)散和交疊,從而在溝道區(qū)形成一�(gè)�(shì)�,使耗盡層隨著反向偏壓的增加向襯底擴(kuò)�。這�(gè)耗盡層將肖特基界面屏蔽于高場(chǎng)之外,避免了肖特基勢(shì)壘降低效�(yīng),使反向漏電流密度大幅度減小。此�(shí) JBS 類似� PiN �。反向漏電流的組成主要由兩部分:一是來自肖特基�(shì)壘的注入;二是耗盡層產(chǎn)生電流和�(kuò)散電��

    二次擊穿

    �(chǎn)生二次擊穿的原因主要是半�(dǎo)體材料的晶格缺陷和管�(nèi)�(jié)面不均勻等引起的。二次擊穿的�(chǎn)生過程是:半�(dǎo)體結(jié)面上一些薄弱點(diǎn)電流密度的增�,導(dǎo)致這些薄弱�(diǎn)上的溫度增加引起這些薄弱�(diǎn)上的電流密度越來越大,溫度也越來越高,如此惡性循�(huán)引起過熱�(diǎn)半導(dǎo)體材料的晶體熔化。此�(shí)在兩電極之間形成較低阻的電流通道,電流密度驟增,�(dǎo)致肖特基二極管還未達(dá)到擊穿電壓值就已經(jīng)損壞。因此二次擊穿是不可逆的,是破壞性的。流�(jīng)二極管的平均電流并未�(dá)到二次擊穿的擊穿電壓�,但是功率二極管還是�(huì)�(chǎn)生二次擊穿�

維庫電子�,電子知�(shí),一查百��

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