功率半導體器件這種筆記(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，就用萬用表調制二極管檔，當出現零點幾伏壓降的時候，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

對于P型半導體，空穴是多子，電子是少子。對于N型半導體，電子是多子，空穴是少子。P型半導體和N型半導體接觸，且不加任何外加電壓時，由于濃度差，P區(qū)的空穴會向N區(qū)擴散，N區(qū)的電子會向P區(qū)擴散。在接觸的界面（就是PN結），P區(qū)的空穴擴散到N區(qū)使得P區(qū)界面留下不可移動帶負電荷離子，N區(qū)的電子擴散到P區(qū)使得N區(qū)界面留下不可移動帶正電荷的離子。這樣就在PN結交界面處形成了由N指向P的內建電場，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)，與擴散運動是個相反的過程。當載流子擴散的速度等于其漂移速度時，就達到了動態(tài)平衡，這個空間電荷區(qū)缺少多子，這就是PN結形成的過程和特點。

（2）正向性
外加正向電壓時，在正向特性的起始部分，正向電壓很小，不足以克服PN結內電場的阻擋作用，正向電流幾乎為零，這一段稱為死區(qū)。這個不能使二極管導通的正向電壓稱為死區(qū)電壓。當正向電壓大于死區(qū)電壓以后，PN結內電場被克服，二極管正向導通，電流隨電壓增大而迅速上升。在正常使用的電流范圍內，導通時二極管的端電壓幾乎維持不變，這個電壓稱為二極管的正向電壓。當二極管兩端的正向電壓超過一定數值Vth，內電場很快被削弱，特性電流迅速增長，二極管正向導通。硅二極管的正向導通壓降約為0.6~ 0.8V，鍺二極管的正向導通壓降約為0.2~0.3V。導致二者不同的根本原因在于其禁帶寬度不同。

根據二極管的電流方程：

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，通過二極管的電流是少數載流子漂移運動所形成反向電流。由于反向電流很小，二極管處于截止狀態(tài)。這個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數量級，小功率鍺管在μA數量級。溫度升高時，半導體受熱激發(fā)，少數載流子數目增加，反向飽和電流也隨之增加。
由上面二極管電流方程可知，當U大于死區(qū)電壓時，e的指數值很大，-1可以忽略，而當U小于0，e的指數為負數，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)域而構成，接觸的面叫冶金接面。兩個區(qū)域接觸后，由于擴散的作用，兩邊會產生一些固定不動的帶電離子，從而形成一個電場。正是這個電場，讓PN結具有了不同的重要特性，其中一個最重要的就是電容特性。由于PN結電容特性的影響，決定了充放電需要時間，也即是功率二極管不能立即開通或關斷。因此如何提高功率二極管的開關時間和改善功率二極管的開關特性也就成了一個非常重要的問題。

除PN結二極管，還有肖特基二極管，它是由金屬和半導體直接接觸形成，跟PN結二極管相比，金半接觸的肖特基二極管具有更低的導通壓降，更快的反向恢復，但是正向電流密度更?。ㄐぬ鼗鶎щ娭挥须娮?，PN結導電有空穴和電子）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。

關于二極管反向恢復特性，我在下面單獨講。

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)足夠長時間，IGBT陽極通常加一個小電阻Rd，幾歐姆到幾十歐姆，柵端也會加柵電阻Rg，Rg越大，柵電容充放電時間越長，IGBT開關速度就越慢，Rg的選取，幾歐到上千都可以，看需求。同時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的一個短路特性inspect曲線圖，橫坐標是時間，縱坐標是陽極電流，首先是電流快速增加，當電流達到飽和以后，電流穩(wěn)定在一個值，理論上是水平的，但是隨著時間的增加，器件溫度的升高，飽和電流值會有一定的下降，當器件發(fā)生過熱失效，于是電流就會急劇增加。為什么會失效，可以這樣理解，器件長時間工作在大電壓大電流情況下，器件內部也有電阻，會產生能量，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。一般認為，飽和電流相同時，短路不失效時間越久，短路特性越好，提升器件短路特性一般可以從內部結構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℃），器件每個地方溫度都是一樣的，當加了熱模型以后，器件仿真完后，選擇晶格溫度后會發(fā)現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器件在雪崩擊穿下負載能量的能力。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被認為功率開關器件安全性的重要指標。
柵極給以下圖這樣的柵脈沖，先讓開關管開啟，并通過Vdc給電感充電，一段時間后關斷。

電感電流電壓公式是V/L=di/dt，所以當IGBT開啟時，電流是從0開始以V/L斜率隨時間線性上升，一直到柵關斷。當IGBT關斷以后，電感內的電流不能突變，只能強行通過IGBT，IGBT是關斷的，這個時候的電流應該叫雪崩電流。柵電位變?yōu)?并持續(xù)足夠長時間，看IGBT在此情況下多久可以不失效，如果出現電流迅速增加，則IGBT失效。當然不光是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？

P型半導體是由三價元素摻入硅中形成的，空穴是多子，電子是少子。N型半導體是由五價元素摻入硅中形成的，電子是多子，空穴是少子。PN結二極管以少子的形式儲存電荷，并傳導正向電流。少子從P+區(qū)和 N+區(qū)注入高阻區(qū)是一種電導調制效應，該效應能夠使二極管的正向導通電阻減小，在這一方面上，該效應對二極管的導通功耗上是有好處的。如果在正偏時的二極管上加反向電壓后，PN結不是瞬間由開態(tài)轉變?yōu)殛P態(tài)，這是由于導通時在高阻區(qū)存貯有大量少數載流子，故到截止時要把這些少數載流子完全抽出或是中和掉是需要一定時間的，即反向阻斷能力的恢復需要經過一段時間，這個過程就是反向恢復過程，發(fā)生這一過程所用的時間定義為反向恢復時間trr。

在如圖所示的反向恢復測試電路中，給柵端以雙脈沖信號。當柵為高電平時，下管（開關管）溝道開啟，電流經由電感和下管到地，給電感充電，并且二極管處于反向耐壓狀態(tài)。當柵端由高電位變?yōu)榈碗娢粫r，下管關斷，由于電感電流不能突變，電感中的電流只能經由二極管進行續(xù)流，二極管陽極電位抬升，并進入正向導通狀態(tài)。當柵端由低電位再次變?yōu)楦唠娢粫r，下管開啟，二極管陽極被拉至0，二極管由正向導通變?yōu)榉聪蜿P斷狀態(tài)，經歷反向恢復過程，待反向恢復完成，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時間，Irrm稱為反向恢復尖峰電流，di/dt稱為電流變化率，Qrr稱為反向恢復電荷。根據公式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和時間T5，可以控制下面的開關管的開啟速度，從而控制二極管反向恢復電流變化率di/dt。

反向恢復過程可分為以下五個階段：

下圖給出了二極管的反向恢復波形，一旦二極管電流開始下降，第1階段開始（t0~t1）。此時，下面開關管T接通。負載電流開始從二極管D1轉移到開關管T。然后二極管電流減小。然而，由于二極管仍處于正向導通狀態(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時刻,二極管電流達到零，第2階段開始。在此階段，二極管開始反向恢復，二極管電流從零下降到峰值反向電流。此時，一小部分耗盡區(qū)開始在pn結交界面形成。然而，由于垂直PN結的其他部分沒有耗盡并且仍然處于正向偏壓狀態(tài)，二極管現在不能支持反向電壓。二極管電壓因此被鉗制在一個小的正值。在t2時刻，二極管開始支持反向電壓，第3階段開始。此時耗盡區(qū)延伸到整個PN結,二極管反向電壓向電壓快速增加。同時，二極管電流（絕對值）仍朝峰值反向電流增加。由于耗盡區(qū)迅速擴展，耗盡區(qū)內儲存電荷被完全去除，導致峰值反向電流非常高。在t3時刻，二極管電壓達到-VR，第4階段開始。此時，二極管反向電流達到峰值。之后，二極管反向電流回到零。由于di/dt變?yōu)檎?，導致二極管產生過沖電壓。在t4時刻，當二極管反向電壓達到峰值VRM時，第5階段開始，di/dt達到最大值。在t5之后，二極管電壓穩(wěn)定在-VR，二極管內電流變?yōu)榱?，二極管完成反向恢復。二極管反向恢復末期存在振蕩，仿真中不明顯，但測試中振蕩現象很明顯。

5、淺談寄生NPN開啟

NPN開啟主要是存在三個方面，一種情況是開態(tài)的時候，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)到關態(tài)的這個過程中，漂移區(qū)存在著大量載流子，這些載流子是由正向導通的時候所注入的，比如在LDMOS中，體二極管導通時，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，正向導通時，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?，那么體二極管就會經歷反向恢復，空穴從漂移區(qū)經過p型體區(qū)，源極P+抽取回源極，而電子經過漂移區(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)之間產生0.7伏的壓降，那么由p型體區(qū)和源極N+構成的PN結就會開啟，大量的電子就會從源極注入到漂移區(qū)。本來關斷時的抽取是為了讓漂移區(qū)內載流子減少甚至消失的，結果這個NPN（源極N+，Pbody，Ndrift）誤開啟讓器件無法關斷，電流不減反增。關于這一方面，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斷狀態(tài)下的，并沒有經歷開啟這個過程。直接給器件加反向偏壓，此時器件也是有反向漏電流的，因為漂移區(qū)本身也是存在空穴和電子的，耐壓的時候，耗盡層需要展寬，處于耗盡區(qū)（漂移區(qū)）內的載流子都要滾蛋，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，一樣也會發(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，所以電壓會一直掉落。

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

附1：關于Sentaurus補充

（1）SSE如何查錯

有的人SentaurusSE跑紅報錯竟不知所措，錯誤其實非常好找的，雙擊紅色的節(jié)點，再點擊.out或者log.err就知道錯誤的地方了。

錯誤種類太多了我無法把錯誤全部羅列出來，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。實在找不出錯誤就把這個工程復制一份出來，一行一行代碼復制進去running直到你復制到某一行跑紅了是不是就找到錯誤的地方了。這玩意找錯比起軟件碼農找錯簡單多了呢。

（2）Tecplot如何交換XY坐標軸

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）服務器上不了網，如何上網，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刪除。

（2）服務器安裝軟件較多，打開速度太慢怎么搞？

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

（3）服務器安全聯網設置