碳化硅MPS二极管建模
发布时间：2021-04-11 02:00
高效节能需求的提升及电力电子技术的发展都对功率半导体二极管的性能提出更高的要求。碳化硅（SiC）MPS二极管结合了 PiN二极管与肖特基（SBD）二极管的优点,能够承受高反偏电压,低压导通、具有良好的反向恢复特性。本文将对SiC MPS二极管展开研究。首先分析了 SBD二极管、PiN二极管及MPS二极管的结构与工作原理。传统的MPS电阻模型仅适用于单极模式,本文改进了现有的MPS单极电阻模型,加入了温度对导通角及载流子迁移率的影响。建立了大注入状态漂移区的载流子的分布模型,并应用于双极模型电阻模型的求解。对比模型结果与测试结果验证了电阻模型的准确性,并通过模型结果分析了 MPS二极管电阻的特性及组成部分。基于电阻模型完成了 MPS二极管正向Ⅰ-Ⅴ特性模型的建立,通过该模型可得到MPS二极管的典型正向特性曲线与浪涌电流的特性曲线,并对模型结果进行了验证。现有的MPS二极管的反向特性模型是基于结势垒肖特基二极管的结构建立的,这两种二极管的结构并不完全相同,模型不能完全适用。传统的反向特性模型未考虑到横向电场对表面势的影响。本文通过二维泊松方程分析了 MPS二极管内部的二维电场的分布,建立了...
【文章来源】：苏州大学江苏省
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【图文】：
图２－１?ＳＢＤ二极管元地１结构??
第二章ＭＰＳ二极管的结构与工作原理?碳化硅ＭＰＳ二极管建模??以获得良好的高频特性。衬底掺杂浓度较缓冲区更高，可作为缓冲层与耗尽层的生长??载体，并且可以与阴极金属形成良好的欧姆接触。??肖特基接触与欧姆接触都是通过金属与半导体接触形成，二者的区别在于对应半??导体的掺杂浓度的高低。形成肖特基接触所需的半导体的掺杂浓度偏低，而形成欧姆??接触所需的半导体的掺杂浓度偏高。??２．１．２?ＳＢＤ二极管的正向导通原理??以Ｎ型半导体为例，金属与半导体接触前后的能带图变化如图２－２所示，图中??仍＾为金属功函数，Ａｍ为金属的费米能级。金属功函数代表金属中能量为金属费米??能级的电子发射到真空中需要具备的最低能量。金属费米能级与金属功函数的关系为：??＝?Ｅｑ?－?ｅｆｍ?（２．１）??式中尽为真空能级。ｔ为半导体亲和能，同理半导体亲和能表示半导体中位于??半导体导带底部的电子发射到真空所需具备的最低能量。乓为半导体导带能级，４??为半导体价带能级，为半导体费米能级。半导体的亲和能可表示为：??＝?－?Ｅｃ?（２．２）??Ｉ??ｕ｜??－ｉｎ???ｌ?ｒ．??，ｔ?＾?＾?ｉ??？?１?Ｅｃ?，ｒ??Ｌ，??＊?￡？?［?ｅｆｓ??１７?具?Ｓ?、??ＬＩ?Ｅｒ?金属?Ｌ?＾??（ａ）接触前能带图?（ｂ）接触后能带图??图２－２金属与半导体接触前后的能带图变化??么为真空能级尽与半导体费米能级之差。仍Ｗ为肖特基接触的势垒高度，即肖??特基势垒。由Ｓｃｈｔｔｋｙ－Ｍｏｔｔ原理可得，肖特基势垒可表示为：??例（２．３）??７??
时电子在空??间电荷区中存在漂移运动，漂移的方向为从金属指向半导体的方向，那么漂移运动又??会使空间电荷区的内建电场减校直到这两个相反方向运动的电子的数量相等时，金??属与半导体建立热平衡，整个接触电势由热平衡时半导体表面处的耗尽区来承受，这??个电压被称为金属一半导体接触内建电势Ｋ，。肖特基接触的内建电勢可表示如下：??Ｖｈ＝Ｅｆｌ－Ｅｍ＿??ｑ??当在ＳＢＤ二极管的阳极端施加正向偏压，形成流过金属一半导体结的电流，ＳＢＤ??二极管开始导通，能带结构的漂移随之产生，此时能带图如图２－３所示。??电子??＜￣Ｔ３３?上????Ｖ?ｕｖｂ－ｑｖｆ??＼?Ｌｅｃ???心??＾?Ｅ，??金属?半导体?１??图２－３?ＳＢＤ二极管正向导通能带图??那么此时接触面流过的电流可能由下面四种途径产生：??６??
【参考文献】：
期刊论文
[1]MPS结构SiC二极管场路耦合建模及多速率电热联合仿真分析[J]. 贾英杰,肖飞,段耀强,罗毅飞. 中国电机工程学报. 2019(19)
[2]并联PiN二极管的温度频率特性建模与分析[J]. 李晓玲,冉立,曾正,胡博容,邵伟华. 中国电机工程学报. 2018(18)
[3]MPS二极管特性折衷的研究[J]. 张晓勇,关艳霞. 微处理机. 2018(01)
[4]超高压SiC电力电子器件及其在电网中的应用[J]. 邓小川,谭犇,万殊燕,吴昊,杨霏,张波. 智能电网. 2017(08)
[5]High-voltage 4H-SiC PiN diodes with the etched implant junction termination extension[J]. Juntao Li,Chengquan Xiao,Xingliang Xu,Gang Dai,Lin Zhang,Yang Zhou,An Xiang,Yingkun Yang,Jian Zhang. Journal of Semiconductors. 2017(02)
[6]功率二极管在大容量逆变器中的开关特性研究[J]. 袁丽,孟庆云,赵伟,周峰. 电力电子技术. 2016(09)
[7]Development of 17 kV 4H-SiC PiN diode[J]. 黄润华,陶永洪,汪玲,陈刚,柏松,栗锐,李赟,赵志飞. Journal of Semiconductors. 2016(08)
[8]直流电源浪涌电流抑制电路研究[J]. 吕宏伟,覃波,付益. 广东通信技术. 2016(03)
[9]半导体器件中载流子迁移率的研究[J]. 张子砚. 电子世界. 2012(13)
[10]SiC肖特基二极管在开关电源中的应用[J]. 郑欣,潘振国,秦明,陈妮. 长江大学学报(自科版)理工卷. 2006(03)
硕士论文
[1]4H-SiC肖特基二极管电流输运机制研究[D]. 陆逸枫.上海师范大学 2017
[2]高压4H-SiC PiN二极管的结构优化与实验研究[D]. 萧寒.电子科技大学 2016
[3]基于电机操动机构与功率二极管的混合式高压开关的研究[D]. 李先敏.西华大学 2015
[4]MPS二极管的研究[D]. 李银娜.沈阳工业大学 2014
[5]4H-SiC肖特基二极管的研究[D]. 孙子茭.电子科技大学 2013
本文编号：3130736
【文章来源】：苏州大学江苏省
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【图文】：
图２－１?ＳＢＤ二极管元地１结构??
第二章ＭＰＳ二极管的结构与工作原理?碳化硅ＭＰＳ二极管建模??以获得良好的高频特性。衬底掺杂浓度较缓冲区更高，可作为缓冲层与耗尽层的生长??载体，并且可以与阴极金属形成良好的欧姆接触。??肖特基接触与欧姆接触都是通过金属与半导体接触形成，二者的区别在于对应半??导体的掺杂浓度的高低。形成肖特基接触所需的半导体的掺杂浓度偏低，而形成欧姆??接触所需的半导体的掺杂浓度偏高。??２．１．２?ＳＢＤ二极管的正向导通原理??以Ｎ型半导体为例，金属与半导体接触前后的能带图变化如图２－２所示，图中??仍＾为金属功函数，Ａｍ为金属的费米能级。金属功函数代表金属中能量为金属费米??能级的电子发射到真空中需要具备的最低能量。金属费米能级与金属功函数的关系为：??＝?Ｅｑ?－?ｅｆｍ?（２．１）??式中尽为真空能级。ｔ为半导体亲和能，同理半导体亲和能表示半导体中位于??半导体导带底部的电子发射到真空所需具备的最低能量。乓为半导体导带能级，４??为半导体价带能级，为半导体费米能级。半导体的亲和能可表示为：??＝?－?Ｅｃ?（２．２）??Ｉ??ｕ｜??－ｉｎ???ｌ?ｒ．??，ｔ?＾?＾?ｉ??？?１?Ｅｃ?，ｒ??Ｌ，??＊?￡？?［?ｅｆｓ??１７?具?Ｓ?、??ＬＩ?Ｅｒ?金属?Ｌ?＾??（ａ）接触前能带图?（ｂ）接触后能带图??图２－２金属与半导体接触前后的能带图变化??么为真空能级尽与半导体费米能级之差。仍Ｗ为肖特基接触的势垒高度，即肖??特基势垒。由Ｓｃｈｔｔｋｙ－Ｍｏｔｔ原理可得，肖特基势垒可表示为：??例（２．３）??７??
时电子在空??间电荷区中存在漂移运动，漂移的方向为从金属指向半导体的方向，那么漂移运动又??会使空间电荷区的内建电场减校直到这两个相反方向运动的电子的数量相等时，金??属与半导体建立热平衡，整个接触电势由热平衡时半导体表面处的耗尽区来承受，这??个电压被称为金属一半导体接触内建电势Ｋ，。肖特基接触的内建电勢可表示如下：??Ｖｈ＝Ｅｆｌ－Ｅｍ＿??ｑ??当在ＳＢＤ二极管的阳极端施加正向偏压，形成流过金属一半导体结的电流，ＳＢＤ??二极管开始导通，能带结构的漂移随之产生，此时能带图如图２－３所示。??电子??＜￣Ｔ３３?上????Ｖ?ｕｖｂ－ｑｖｆ??＼?Ｌｅｃ???心??＾?Ｅ，??金属?半导体?１??图２－３?ＳＢＤ二极管正向导通能带图??那么此时接触面流过的电流可能由下面四种途径产生：??６??
【参考文献】：
期刊论文
[1]MPS结构SiC二极管场路耦合建模及多速率电热联合仿真分析[J]. 贾英杰,肖飞,段耀强,罗毅飞. 中国电机工程学报. 2019(19)
[2]并联PiN二极管的温度频率特性建模与分析[J]. 李晓玲,冉立,曾正,胡博容,邵伟华. 中国电机工程学报. 2018(18)
[3]MPS二极管特性折衷的研究[J]. 张晓勇,关艳霞. 微处理机. 2018(01)
[4]超高压SiC电力电子器件及其在电网中的应用[J]. 邓小川,谭犇,万殊燕,吴昊,杨霏,张波. 智能电网. 2017(08)
[5]High-voltage 4H-SiC PiN diodes with the etched implant junction termination extension[J]. Juntao Li,Chengquan Xiao,Xingliang Xu,Gang Dai,Lin Zhang,Yang Zhou,An Xiang,Yingkun Yang,Jian Zhang. Journal of Semiconductors. 2017(02)
[6]功率二极管在大容量逆变器中的开关特性研究[J]. 袁丽,孟庆云,赵伟,周峰. 电力电子技术. 2016(09)
[7]Development of 17 kV 4H-SiC PiN diode[J]. 黄润华,陶永洪,汪玲,陈刚,柏松,栗锐,李赟,赵志飞. Journal of Semiconductors. 2016(08)
[8]直流电源浪涌电流抑制电路研究[J]. 吕宏伟,覃波,付益. 广东通信技术. 2016(03)
[9]半导体器件中载流子迁移率的研究[J]. 张子砚. 电子世界. 2012(13)
[10]SiC肖特基二极管在开关电源中的应用[J]. 郑欣,潘振国,秦明,陈妮. 长江大学学报(自科版)理工卷. 2006(03)
硕士论文
[1]4H-SiC肖特基二极管电流输运机制研究[D]. 陆逸枫.上海师范大学 2017
[2]高压4H-SiC PiN二极管的结构优化与实验研究[D]. 萧寒.电子科技大学 2016
[3]基于电机操动机构与功率二极管的混合式高压开关的研究[D]. 李先敏.西华大学 2015
[4]MPS二极管的研究[D]. 李银娜.沈阳工业大学 2014
[5]4H-SiC肖特基二极管的研究[D]. 孙子茭.电子科技大学 2013
本文编号：3130736
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