新型碳化硅功率二極管的研究.pdf

1、隨著綠色高效能源轉換的迫切要求和電力電子技術的不斷發(fā)展，以硅材料為基礎的傳統(tǒng)電力電子器件的物理局限性日益顯現(xiàn)，嚴重制約了器件的工作電壓、工作電流、工作頻率、工作溫度、耗散功率和抗輻射等性能的提高。碳化硅材料作為新一代卓越的寬禁帶半導體材料，使得碳化硅器件將成為綠色能源革命時代的代表性器件。目前碳化硅器件已經取得了令人矚目的成就，在一些重要的能源領域開始逐步取代硅基電力電子器件，并初步展現(xiàn)出其巨大的潛力。在多種器件類型中，碳化硅二極管作為

2、一種應用最為廣泛也最簡單的器件結構，首先得到了商業(yè)化發(fā)展，但其理論研究還需要得到進一步的完善，而且碳化硅二極管的工藝技術存在一些技術難點，對于國內剛剛起步的碳化硅器件研究來說更是如此，因此本文針對低壓(1700V)和高壓(6000V)兩種電壓等級，對碳化硅結勢壘肖特基二極管進行了結構設計、理論建模和工藝實驗多方面的系統(tǒng)性研究，并對一種夾斷型勢壘新型二極管進行了研究和探討，主要包括以下內容:
　　為了改善傳統(tǒng)平面型結勢壘肖特基二極管

3、較弱的電場屏蔽效應引起的軟擊穿特性，近年來許多團隊對新型溝槽型結構進行了報道。本文對碳化硅溝槽型結勢壘肖特基二極管和傳統(tǒng)平面型結勢壘肖特基二極管進行了較為系統(tǒng)的對比研究，針對1700V和6000V兩種電壓等級，對兩種器件結構以仿真設計、理論模型和實驗分析的多種手段和多方面角度進行了剖析，并提出溝槽型結勢壘肖特基二極管具有更寬的設計窗口和更佳的優(yōu)化性能，該結論得到了仿真結果、模型計算和實驗結果的驗證。
　　碳化硅結勢壘肖特基二極管的

4、正向導通特性的理論模型研究已經十分清晰，但反向電場分布和阻斷特性的理論模型研究卻并不完善。傳統(tǒng)的反向阻斷特性模型是基于表面電場的擬合公式而建立的，擬合公式不僅存在準確度較差的缺點，而且無法完全適用于各種不同結構參數(shù)設計的場合。本文建立了碳化硅結勢壘肖特基二極管反向阻斷特性理論模型，提出了反向電場分布的準二維數(shù)學模型，并基于該反向電場的模型建立了漏電流的物理模型。模型的有效性和準確度得到了仿真結果和實驗結果的驗證。并且本文還基于正向導通特

5、性和反向阻斷特性模型，對碳化硅結勢壘肖特基二極管進行了理論的結構優(yōu)化設計。
　　由于結勢壘肖特基二極管的肖特基勢壘容易受到能級釘扎現(xiàn)象和工藝狀況的影響，同時勢壘高度的調節(jié)受到有限幾種金屬選擇的限制，導致二極管的開啟電壓可控性很差，這對于開啟電壓較高的碳化硅肖特基二極管來說尤為重要;除此之外，肖特基勢壘還受到鏡像力勢壘降低效應的影響，導致其勢壘高度隨反偏電壓的增加而降低。為了提高對二極管勢壘高度的控制，實現(xiàn)勢壘高度在較大范圍內的連續(xù)