曲率效应对PN结击穿电压的有效作用

论文摘要

PN结构成了几乎所有半导体功率器件的基础,其雪崩击穿电压直接决定了相关器件的工作电压范围。在实际制造中PN结的结面不是理想的平面,一般认为结面的曲率效应将导致结的击穿电压低于同等条件下的平行平面结,以此为基础发展出了一系列降低或消除曲率效应的结终端技术如场板、场限环、磨角、耗尽区腐蚀以及VLD等。经分析PN结耗尽区的理想电场分布,本文提出曲率效应并不总是有害的,在适当条件下曲率效应可改善耗尽区电场分布从而提高PN结击穿电压,该情况对应的曲率是有效曲率。文章首先分析了理想柱面结和理想球面结中存在的曲率效应对击穿电压的影响,提出有效曲率出现的条件及其对应的漂移区掺杂,进一步提出利用有效曲率改善任意形貌的PT型N+N-P+/ P+P-N+结击穿电压的两个必要条件。作者以PiN二极管和SOI LDMOS为例说明有效曲率对器件击穿电压的提高,并附带分析了曲率效应的引入方式,器件其它性能参数如速度、开态损耗等受有效曲率的影响,证明有效曲率在实际的功率器件设计中具有一定的实用价值。最后,本文分析了有效曲率的适用场合及其作用大小,给出相关的定量分析,计算具有有效曲率的PN结相对同等漂移区长度、掺杂的平行平面结击穿电压的提升比例（有效因子）。考虑实际引入的有效曲率是局部曲率及临界场的变化,击穿电压提升比例有所下降。本文明确提出曲率效应可提高PN结击穿电压,并给出了有效曲率的出现条件、应用实例、作用大小及作用范围,以上理论可作为器件设计中引入有效曲率的证据及定量分析参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 PN 结的击穿
• 1.2.1 PN 结的击穿机理
• 1.2.2 PN 结耗尽区的理想电场分布
• 1.3 曲率效应的产生及其对击穿电压的负面影响
• 1.4 结终端技术
• 1.4.1 场板技术
• 1.4.2 场限制环技术
• 1.4.3 磨角技术与耗尽区腐蚀技术
• 1.4.4 多种结终端技术的融合与发展
• 1.5 本文的主要工作
• 第二章 曲率效应对结击穿电压的有效作用
• 2.1 曲率效应对柱面结击穿电压的有效作用
• 2.1.1 均匀掺杂漂移区柱面结
• 2.1.2 渐变掺杂漂移区柱面结
• 2.1.3 有效柱面曲率小结
• 2.2 曲率效应对球面结击穿电压的有效作用
• 2.2.1 均匀掺杂漂移区球面结
• 2.2.2 渐变掺杂漂移区球面结
• 2.2.3 有效球面曲率小结
• +N^-P⁺/P⁺P^-N⁺结击穿电压的作用'>2.3 有效曲率对任意形貌N⁺N^-P⁺/P⁺P^-N⁺结击穿电压的作用
• 第三章 曲率效应的应用
• 3.1 曲率效应在PiN 二极管中的应用
• 3.2 曲率效应在SOI LDMOS 中的应用
• 3.2.1 技术背景
• 3.2.2 理论分析
• 3.2.3 环形阴极SOI LDMOS性能数值分析
• 3.2.4 理论模型验证
• 第四章 有效曲率的作用范围
• 4.1 有效曲率的引入条件
• 4.2 柱面曲率对击穿电压的提升程度
• 4.3 球面曲率对击穿电压的提升程度
• 4.4 局部曲率的作用距离限制
• 4.5 临界击穿电场对有效曲率作用效果的影响
• 4.6 有效曲率的作用总结
• 第五章结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 击穿电压与导通电阻的数值计算
• 附录2 导通电阻电压与电阻的次方关系
• 附录3 柱面曲率对击穿电压的提升比例η随ξ的变化
• 附录4 球面曲率对击穿电压的提升比例η随ξ的变化
• 附录5 引入表面曲率效应的PN 结与平行平面结纵向电场比较
• 攻硕期间取得的研究成果