二極管的工藝設(shè)計(jì)理論

趙永紅

（哈爾濱工大華生電子有限公司，黑龍江 哈爾濱 150080）

二極管P-N 結(jié)的擊穿電壓特性不僅是二極管本事的重要參數(shù)，也是設(shè)計(jì)半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。而半導(dǎo)體P-N 結(jié)擊穿主要以齊納擊穿和雪崩擊穿兩種形式。而產(chǎn)生擊穿的主要原因是，在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下大大地增加了導(dǎo)帶電子和滿帶空穴的數(shù)目，引起反向電流的急劇增加，引起P-N 結(jié)擊穿。所以二極管設(shè)計(jì)時(shí)首先確認(rèn)其反向擊穿電壓。

1 襯底雜質(zhì)電阻率的確認(rèn)

二極管P-N 結(jié)的反向擊穿電壓體現(xiàn)了雜質(zhì)的內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，因此雜質(zhì)濃度對(duì)擊穿電壓起到?jīng)Q定性的作用。擊穿電壓與高阻區(qū)雜質(zhì)濃度NB 成反比（如圖1）。根據(jù)雜質(zhì)濃度與擊穿電壓關(guān)系中可以得出擊穿電壓與雜質(zhì)濃度成反比。

圖1 雜質(zhì)濃度與擊穿電壓關(guān)系

對(duì)于突破結(jié)，擊穿電壓公式：

對(duì)于線性緩變結(jié)，擊穿電壓公式：

在二極管工藝設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)突變結(jié)擊穿電壓公式，可確認(rèn)高阻區(qū)的雜質(zhì)濃度。則可以確認(rèn)襯底雜質(zhì)的電阻率。而從線性緩變結(jié)公式可看成擊穿電壓與雜質(zhì)濃度梯度ajc有關(guān)。公式如下:

式中：NB——高阻區(qū)雜質(zhì)濃度

NS——擴(kuò)散表面濃度

Xjc——擴(kuò)散結(jié)深

注：結(jié)深小于5 微米時(shí)系數(shù)2 為1。

如果雜質(zhì)濃度確定，根據(jù)雜質(zhì)濃度梯度公式，可得出二極管擴(kuò)散結(jié)深。半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)擊穿電壓時(shí)，一般擊穿電壓VBR=1.2～1.5VRWM

其中，式中VRWM:反向工作峰值電壓或最高反向工作電壓。

2 外延層厚度的確認(rèn)

根據(jù)線性緩變結(jié)擊穿電壓公式可得出擊穿電壓與雜質(zhì)濃度成正比，擴(kuò)散結(jié)越深擊穿電壓越高。當(dāng)P-N 結(jié)加反向偏壓是，P-N 結(jié)空間電荷區(qū)發(fā)生變化。

一般突變結(jié)空間電荷區(qū)寬度：

線性緩變結(jié)空間電荷區(qū)寬度：

所以工藝設(shè)計(jì)時(shí)確認(rèn)雜質(zhì)外延長(zhǎng)厚度為：

外延長(zhǎng)厚度=結(jié)深Xj+空間電荷區(qū)寬度W+襯底反擴(kuò)散深度通常襯底反擴(kuò)散深度為2μm

3 P-N 結(jié)的面積

式中:IQ——平均整流電流

J——?jiǎng)輭窘Y(jié)電流密度

勢(shì)壘結(jié)電流密度的選取參照如下：

結(jié)型二極管正向電流IF 與雜質(zhì)濃度N 有如下關(guān)系

P+-N 結(jié)

IF=Aq

式中：

A——P-N 結(jié)有效面積

q——電子電荷=1.6×10-19庫(kù)侖=4.8×10-10靜電庫(kù)侖

Lp——N 區(qū)中空穴的擴(kuò)散長(zhǎng)度

τp——N 區(qū)中空穴的壽命

ni——本征載流子濃度

Nn——N 區(qū)雜質(zhì)濃度

e——自然對(duì)數(shù)

k——玻爾茲曼常數(shù)=1.38×10-16爾格/°K

T——絕對(duì)溫度

V——電壓

N+-P 結(jié)

IF=Aq

式中：

Ln——P 區(qū)中電子的擴(kuò)散長(zhǎng)度

τn——P 區(qū)中電子的壽命

Np——P 區(qū)雜質(zhì)濃度

實(shí)際測(cè)試結(jié)果（圖1）也與上式相符。

圖2

●正向壓降VF≤1.2V 時(shí)，當(dāng)高阻區(qū)雜質(zhì)濃度Nn(或Np)在1014cm-3～1016cm-3，J 可以取100A/cm2～130A/cm2。

●正向壓降VF≤1.2V 時(shí)，當(dāng)高阻區(qū)雜質(zhì)濃度Nn(或Np)在1016cm-3～1018cm-3時(shí)，J 可以取80A/cm2～120A/cm2。

●正向壓降VF在1V 或1V 以內(nèi)時(shí)，J 可以取80A/cm2左右。高壓整流管（VBR≥1500V 包括高壓硅堆），J 可以取30A/cm2～50A/cm2。

4 二極管結(jié)電容

二極管在低頻下，具有單向?qū)щ娮饔?。?dāng)工作在高頻是，由于二極管P-N 結(jié)電容特性（即二極管電容效應(yīng)），這種特性使二極管單向?qū)щ娞匦愿?。所以二極管在高頻作用下，必須考慮P-N 結(jié)電容的影響。而P-N 結(jié)電容通常分為擴(kuò)散電容和勢(shì)壘電容。而勢(shì)壘電容是半導(dǎo)體設(shè)計(jì)時(shí)考慮重點(diǎn)。所以本文以勢(shì)壘電容來(lái)說(shuō)明P-N 結(jié)電容與設(shè)計(jì)關(guān)系，得出P-N 結(jié)電容關(guān)系式如下：對(duì)于突變結(jié)勢(shì)壘電容：

對(duì)于線性緩變結(jié)勢(shì)壘電容：

根據(jù)P-N 結(jié)電容關(guān)系式可知，P-N 結(jié)電容與襯底雜質(zhì)濃度和反向擊穿電壓有關(guān)，襯底雜質(zhì)濃度約低，單位面積的結(jié)電容越小。反向擊穿電壓越高，單位面積的P-N 結(jié)電容越小。