功率半导体器件这种笔记(2)

1、浅谈二极管

下面是贴片二极管封装图，一般带白线的是阴极，如果不清楚，就用万用表调制二极管档，当出现零点几伏压降的时候，红表笔就代表二极管阳极，黑表笔代表阴极。

顺便说一下贴片MOS和IGBT封装图，中间的是高压端，下面有大块金属的用来散热的，如果有体二极管，将gs短接（保证Vgs=0）作为二极管阳极，漏作为二极管阴极。

（1）PN结

对于P型半导体，空穴是多子，电子是少子。对于N型半导体，电子是多子，空穴是少子。P型半导体和N型半导体接触，且不加任何外加电压时，由于浓度差，P区的空穴会向N区扩散，N区的电子会向P区扩散。在接触的界面（就是PN结），P区的空穴扩散到N区使得P区界面留下不可移动带负电荷离子，N区的电子扩散到P区使得N区界面留下不可移动带正电荷的离子。这样就在PN结交界面处形成了由N指向P的内建电场，使得电子又从P漂移到N区，空穴从N区漂移到P区，与扩散运动是个相反的过程。当载流子扩散的速度等于其漂移速度时，就达到了动态平衡，这个空间电荷区缺少多子，这就是PN结形成的过程和特点。

（2）正向性
外加正向电压时，在正向特性的起始部分，正向电压很小，不足以克服PN结内电场的阻挡作用，正向电流几乎为零，这一段称为死区。这个不能使二极管导通的正向电压称为死区电压。当正向电压大于死区电压以后，PN结内电场被克服，二极管正向导通，电流随电压增大而迅速上升。在正常使用的电流范围内，导通时二极管的端电压几乎维持不变，这个电压称为二极管的正向电压。当二极管两端的正向电压超过一定数值Vth，内电场很快被削弱，特性电流迅速增长，二极管正向导通。硅二极管的正向导通压降约为0.6~ 0.8V，锗二极管的正向导通压降约为0.2~0.3V。导致二者不同的根本原因在于其禁带宽度不同。

根据二极管的电流方程：

可以绘出下图二极管伏安特性曲线。

二极管伏安特性曲线图

（3）反向性

外加反向电压不超过一定范围时，通过二极管的电流是少数载流子漂移运动所形成反向电流。由于反向电流很小，二极管处于截止状态。这个反向电流又称为反向饱和电流或漏电流，二极管的反向饱和电流受温度影响很大。一般硅管的反向电流比锗管小得多，小功率硅管的反向饱和电流在nA数量级，小功率锗管在μA数量级。温度升高时，半导体受热激发，少数载流子数目增加，反向饱和电流也随之增加。
由上面二极管电流方程可知，当U大于死区电压时，e的指数值很大，-1可以忽略，而当U小于0，e的指数为负数，趋近于0，所以I约等于Is，即漏电流。

（4）二极管电容特性

势垒电容：由势垒区的空间电荷随外加电压变化而引起。

扩散电容：由势垒区两边积累的非平衡少子电荷随外加电压变化而引起。

PN 结是功率二极管器件的重要组成部分，它是由连接P掺杂和N掺杂的区域而构成，接触的面叫冶金接面。两个区域接触后，由于扩散的作用，两边会产生一些固定不动的带电离子，从而形成一个电场。正是这个电场，让PN结具有了不同的重要特性，其中一个最重要的就是电容特性。由于PN结电容特性的影响，决定了充放电需要时间，也即是功率二极管不能立即开通或关断。因此如何提高功率二极管的开关时间和改善功率二极管的开关特性也就成了一个非常重要的问题。

除PN结二极管，还有肖特基二极管，它是由金属和半导体直接接触形成，跟PN结二极管相比，金半接触的肖特基二极管具有更低的导通压降，更快的反向恢复，但是正向电流密度更小（肖特基导电只有电子，PN结导电有空穴和电子）和反向漏电更大，反向击穿电压一般不足100称为肖特基二极管的短板。

关于二极管反向恢复特性，我在下面单独讲。

2、什么叫器件的短路特性？

栅端给以高电平让IGBT开启，并持续足够长时间，IGBT阳极通常加一个小电阻Rd，几欧姆到几十欧姆，栅端也会加栅电阻Rg，Rg越大，栅电容充放电时间越长，IGBT开关速度就越慢，Rg的选取，几欧到上千都可以，看需求。同时右端的电压源是一直供电的，可以给上百伏。

如图所示的是IGBT的一个短路特性inspect曲线图，横坐标是时间，纵坐标是阳极电流，首先是电流快速增加，当电流达到饱和以后，电流稳定在一个值，理论上是水平的，但是随着时间的增加，器件温度的升高，饱和电流值会有一定的下降，当器件发生过热失效，于是电流就会急剧增加。为什么会失效，可以这样理解，器件长时间工作在大电压大电流情况下，器件内部也有电阻，会产生能量，这种能量只能以热的形式散发出去，器件工作越久，功率越大，温度就越高。一般认为，饱和电流相同时，短路不失效时间越久，短路特性越好，提升器件短路特性一般可以从内部结构降低功耗和外部封装加快散热等角度考虑。仿真的话一般选择加热模型，具体怎么加可以去查阅手册。不加热模型，仿真出来的是300K（27℃），器件每个地方温度都是一样的，当加了热模型以后，器件仿真完后，选择晶格温度后会发现不同地方颜色是不一样的，如下图。

3、UIS特性是什么玩意？

UIS是Unclamped InductiveSwiching的缩写，UIS特性通常用来描述功率开关器件（MOS/IGBT）在非钳电感电路中能够承受电流能力大小的能力，或用来描述功率开关器件在雪崩击穿下负载能量的能力。UIS特性的好坏直接影响到器件的安全工作区及寿命，因此UIS被认为功率开关器件安全性的重要指标。
栅极给以下图这样的栅脉冲，先让开关管开启，并通过Vdc给电感充电，一段时间后关断。

电感电流电压公式是V/L=di/dt，所以当IGBT开启时，电流是从0开始以V/L斜率随时间线性上升，一直到栅关断。当IGBT关断以后，电感内的电流不能突变，只能强行通过IGBT，IGBT是关断的，这个时候的电流应该叫雪崩电流。栅电位变为0并持续足够长时间，看IGBT在此情况下多久可以不失效，如果出现电流迅速增加，则IGBT失效。当然不光是IGBT，也可以用此方法来考察MOS的UIS能力。

4、什么叫二极管的反向恢复？

P型半导体是由三价元素掺入硅中形成的，空穴是多子，电子是少子。N型半导体是由五价元素掺入硅中形成的，电子是多子，空穴是少子。PN结二极管以少子的形式储存电荷，并传导正向电流。少子从P+区和 N+区注入高阻区是一种电导调制效应，该效应能够使二极管的正向导通电阻减小，在这一方面上，该效应对二极管的导通功耗上是有好处的。如果在正偏时的二极管上加反向电压后，PN结不是瞬间由开态转变为关态，这是由于导通时在高阻区存贮有大量少数载流子，故到截止时要把这些少数载流子完全抽出或是中和掉是需要一定时间的，即反向阻断能力的恢复需要经过一段时间，这个过程就是反向恢复过程，发生这一过程所用的时间定义为反向恢复时间trr。

在如图所示的反向恢复测试电路中，给栅端以双脉冲信号。当栅为高电平时，下管（开关管）沟道开启，电流经由电感和下管到地，给电感充电，并且二极管处于反向耐压状态。当栅端由高电位变为低电位时，下管关断，由于电感电流不能突变，电感中的电流只能经由二极管进行续流，二极管阳极电位抬升，并进入正向导通状态。当栅端由低电位再次变为高电位时，下管开启，二极管阳极被拉至0，二极管由正向导通变为反向关断状态，经历反向恢复过程，待反向恢复完成，二极管处于反向耐压状态，电路通过VBUS继续给电感充电。如图，IF称为二极管续流电流，trr称为二极管反向恢复时间，Irrm称为反向恢复尖峰电流，di/dt称为电流变化率，Qrr称为反向恢复电荷。根据公式V/L=di/dt（电感电流是以固定斜率线性上升的），通过控制时间T2，电感L和电压V，即可控制续流电流IF。通过控制栅电阻R和时间T5，可以控制下面的开关管的开启速度，从而控制二极管反向恢复电流变化率di/dt。

反向恢复过程可分为以下五个阶段：

下图给出了二极管的反向恢复波形，一旦二极管电流开始下降，第1阶段开始（t0~t1）。此时，下面开关管T接通。负载电流开始从二极管D1转移到开关管T。然后二极管电流减小。然而，由于二极管仍处于正向导通状态，二极管电压保持VAC>0（A代表阳极，英文是anode，C代表阴极，英文是cathode）。在t1时刻,二极管电流达到零，第2阶段开始。在此阶段，二极管开始反向恢复，二极管电流从零下降到峰值反向电流。此时，一小部分耗尽区开始在pn结交界面形成。然而，由于垂直PN结的其他部分没有耗尽并且仍然处于正向偏压状态，二极管现在不能支持反向电压。二极管电压因此被钳制在一个小的正值。在t2时刻，二极管开始支持反向电压，第3阶段开始。此时耗尽区延伸到整个PN结,二极管反向电压向电压快速增加。同时，二极管电流（绝对值）仍朝峰值反向电流增加。由于耗尽区迅速扩展，耗尽区内储存电荷被完全去除，导致峰值反向电流非常高。在t3时刻，二极管电压达到-VR，第4阶段开始。此时，二极管反向电流达到峰值。之后，二极管反向电流回到零。由于di/dt变为正值，导致二极管产生过冲电压。在t4时刻，当二极管反向电压达到峰值VRM时，第5阶段开始，di/dt达到最大值。在t5之后，二极管电压稳定在-VR，二极管内电流变为零，二极管完成反向恢复。二极管反向恢复末期存在振荡，仿真中不明显，但测试中振荡现象很明显。

5、浅谈寄生NPN开启

NPN开启主要是存在三个方面，一种情况是开态的时候，NPN开启，上期所讲的IGBT闩锁就是如此。第二种情况是由开态到关态的这个过程中，漂移区存在着大量载流子，这些载流子是由正向导通的时候所注入的，比如在LDMOS中，体二极管导通时，栅极和源极短接作为体二极管的阳极，漏极作为体二极管的阴极，正向导通时，阳极为高电位，阴极是0，如果突然将阳极变为0阴极变为高电位，那么体二极管就会经历反向恢复，空穴从漂移区经过p型体区，源极P+抽取回源极，而电子经过漂移区，n缓冲区和漏极N+回到漏极。由于p型体区电阻的存在，空穴抽取又会形成空穴电流，源极N+又是0电位，假如在空穴从P体区抽取回源极过程中，源极N+和其下方P型体区之间产生0.7伏的压降，那么由p型体区和源极N+构成的PN结就会开启，大量的电子就会从源极注入到漂移区。本来关断时的抽取是为了让漂移区内载流子减少甚至消失的，结果这个NPN（源极N+，Pbody，Ndrift）误开启让器件无法关断，电流不减反增。关于这一方面，有很多论文提出了很多方案来抑制NPN的开启，

除此之外，还有第三种NPN开启，虽然是同一种NPN，但是原理是不一样的。这种NPN开启是在器件本身就处于关断状态下的，并没有经历开启这个过程。直接给器件加反向偏压，此时器件也是有反向漏电流的，因为漂移区本身也是存在空穴和电子的，耐压的时候，耗尽层需要展宽，处于耗尽区（漂移区）内的载流子都要滚蛋，空穴回你的源极（发射极），电子回你的漏极（集电极），空穴在抽取回源极时，一样也会发生寄生NPN开启的情况，下面的图是RC-IGBT在持续加反向电压情况下的电压和反向电流测试曲线。

（1）反向电压765V，13.35mA时正常。图中5mA和100V表示每一格的分度值。

（2）继续加大反向电压到778V，雪崩电流明显增加。

（3）器件发热雪崩电流已经很大。

（4）反向电压掉落，寄生NPN开启，失去耐压能力。

（5）寄生NPN开启不需要那么大的电压，所以电压会一直掉落。

从上所述来看，寄生NPN开启带来的影响都是负面的，有的研究是利用寄生NPN开启的呢，感兴趣可以去了解。

附1：关于Sentaurus补充

（1）SSE如何查错

有的人SentaurusSE跑红报错竟不知所措，错误其实非常好找的，双击红色的节点，再点击.out或者log.err就知道错误的地方了。

错误种类太多了我无法把错误全部罗列出来，有的是英文分号输入成中文分号无法识别的，有的是电极没有定义上的，也有的需要把后面SDE删除了才能跑的，大家在仿真过程中慢慢积累。实在找不出错误就把这个工程复制一份出来，一行一行代码复制进去running直到你复制到某一行跑红了是不是就找到错误的地方了。这玩意找错比起软件码农找错简单多了呢。

（2）Tecplot如何交换XY坐标轴

求教大佬的，在这里share给大家

附2：江浙沪地区功率器件公司罗列（仅罗列出部分）：

附3：

（1）服务器上不了网，如何上网，比如下载yum库？

root后gedit /etc/resolv.conf 加入如nameserver 114.114.114.114后保存，这样就可以下载yum库了，yum装完记得回来把这个删除。

（2）服务器安装软件较多，打开速度太慢怎么搞？

root后gedit /etc/resolv.conf 删除所有内容后保存，再打开软件（swb，inspect，tecplotSV都会快）就快了，不是软件装多的问题。

（3）服务器安全联网设置