基于6H-SiC MPS二极管迅回效应研究分析

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随着电力电子技术的快速发展,以碳化硅(SiC)为材料的第三代宽禁带半导体大功率电力电子器件迅猛发展。SiC以其卓越的机械、化学、物理、热学以及电学特性被广泛应用于驱动逆变器、电源、绿色能源汽车、军事、核工业以及航空航天等方面。SiC二极管是结构简单应用最广泛的功率器件,而混合肖特基/PIN二极管(MPS)是典型的双极型,兼具肖特基二极管(SBD)低导通压降、快速转换和PIN二极管高击穿、低漏电流等优势,但单极模式至双极模式的过渡较为复杂,会出现迅回效应,即电路中出现负阻效应,电路必然会出现振荡,并且导致电路抗浪涌能力减弱,严重时热击穿失效,故抑制迅回效应尤为重要。本文以6H-SiC MPS为研究对象,通过理论建模、结构设计、结构参数与工艺参数的数值仿真等方式,对MPS二极管的正向导通、正向迅回效应以及反向开关特性进行多方面、系统性研究和探讨。主要内容如下:(1)理论建模,从简化模型出发,理论上分析MPS二极管的工作原理以及设计依据。(2)结构设计,基于理论建模,对MPS的P+区、漂移区、衬底区以及其他元胞参数设计,包括区域厚度、宽度、占比、掺杂浓度、接触金属等。(3)数值仿真,基于Silvaco软件,选择合适的物理模型对MPS的正向、反向性能仿真。采用单一变量控制法分别对金属功函数、温度、P+结结深以及肖特基区WS占比进行仿真,探究其对正向迅回效应的影响,考虑能否有效的抑制或消除迅回效应,同时折衷反向恢复特性。通过理论建模与数值仿真,得到以下分析结果:(1)利用金属功函数验证6H-SiC MPS二极管中存在双势垒效应,且势垒不均匀分布。金属功函数增大,开启电压增大,转折电压降低,可以很好的抑制迅回效应。(2)温度升高,正向偏置下,开启电压和转折电压均降低,可以抑制迅回效应;反向偏置下,反向恢复峰值电流增大,开关时间增大,但软恢复能力下降。(3)P+结结深增大,正向偏置下,开启电压增大,但转折电压降低,可以削弱迅回效应,不能完全抑制;反向偏置下,反向恢复峰值电流增大,软恢复能力下降,设计时需结合实际工艺水平,综合考虑。(4)WS占比增大,正向偏置下,开启电压下降,但转折电压增大,会加剧迅回效应的产生;反向偏置下,反向恢复峰值电流下降,软恢复能力增加。本文探究金属功函数、温度、P+结结深以及肖特基区WS占比对6H-SiC MPS的迅回效应的影响,并分析了肖特基区域中央垂直轴线、P+N-结区域垂直轴线以及P+N-结结深处横向扩散区域上转前、转时、转后的空穴载流子的浓度分布。同时折衷考虑反向恢复特性,通过优化结构参数和工艺参数,削弱或抑制迅回效应,可显著提高器件的抗浪涌能力、系统的稳定性和可靠性。
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