功率集成电子学回顾Microsoft Word 文档 (2)

第一章 PN 结雪崩击穿与结终端技术一、 理想PN 结（平行平面结）特性平衡 形成耗尽层，扩散电流等于漂移电流，无电流。

正偏 耗尽层减薄，扩散电流大于漂移电流，电流大。

反偏 耗尽层增厚，扩散电流小于漂移电流，电流小。

反向饱和电流 00n p p n s n pqD n qD p I A L L ⎛⎫=+ ⎪ ⎪⎝⎭伏安特性 001qV n p p n kTn pqD n qD p I A e L L ⎛⎫⎛⎫=+- ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭ 二、理想PN 结的雪崩击穿PN 结反偏后，继续加大反偏电压，反向电流突然增加，PN 结击穿。

1、 碰撞电离a) 随着电场的增强，载流子在受到光学声子散射的间隔间（两次碰撞之间）由电场加速会积累足够的动能去产生二次“电子-空穴对”b) 二次载流子继续产生下一代载流子。

c) 载流子的这种繁殖（雪崩倍增），导致PN 结反向电流大于原生电流，引起器件的击穿。

2、 电离系数用电离系数来表征雪崩击穿过程，电离系数定义为，一个电子或空穴在每厘米距离内产生的电子-空穴对的数目。

电子电离率 ()e x p/n n n a A B E =- 空穴电离率 ()e x p/p p p a A B E =- 采用Fulops （富罗普斯）近似，电离系数有如下表示： （1/cm ） 其中E 以[V/cm]为单位 3、 雪崩倍增因子二次载流子以上载流子电流密度与原生载流子电流密度之比称为雪崩倍增因子。

()()0dp xpp J MJ =()()0dn xn n J M J =4、 击穿条件二、 平行平面结击穿电压V BR 、耗尽层X D 、临界击穿电E M表达式。

3571.810E α-=⨯01d X dx α=⎰PIN、突变结、线性缓变结三种平行平面结的击穿电压各取决那些工艺参数？四、平面结（实际平面工艺制作的PN结）的击穿电压。

有选择掺杂窗口中间近似于平行平面，但是边、角之处近似于圆柱面及球面。

圆柱面及球面存在曲率，导致表面电场比体内高，因此平面结击穿电压比平行平面结击穿电压低。

平面结击穿电压由平行平面结、圆柱面结及球面结中最低的一个击穿电压决定。

1、平行平面结击穿电压V BR：PIN结、突变结、线性缓变结表达式如上表所示。

2、圆柱面结及球面结归一化击穿电压：圆柱面结球面结()()()()()()()686277723613237712ln1222.143BR CYBR PBR SPBR PVVVVηηηηηηηη-⎡⎤=+∙+-⎢⎥⎣⎦⎡⎤=+-+⎢⎥⎣⎦其中 ()B R P V代表完全同样掺杂浓度条件下，平行平面结的击穿电压。

/j Mr W η= 常被称为归一化曲率半径，M W 是平行平面结在击穿时的耗尽层厚度。

jr 是圆柱面结及球面结的半径（结深）。

五、PIN 穿通二极管的击穿电压1、PIN 二极管的击穿电压（平行平面结）56/7()0.9210BR PIN DV X =⨯2、PIN 穿通二极管（当I 层厚度小于PIN 二极管耗尽层厚度，即为PIN 穿通二极管）穿通击穿电压()(2)PT D D BR PIN MMV X X V X X =-其中：D X ：为PIN 穿通二极管I 层的宽度MX : 为理想PIN 二极管I 层的宽度3、 平面结穿通二极管击穿电压画出平面结穿通二极管击穿电压剖面图、版图示意图。

平面结穿通二极管的边缘也包含圆柱面结和球面结。

当外加电压超过穿通电压时，平行平面结的耗尽区不可能扩展，但柱面、球面部分耗尽区边界仍会继续扩展。

1）.平行平面结穿通击穿电压()2B D TP D BR PIN SM qN X V X V X ε⎛⎫== ⎪⎝⎭其中:56/7()0.9210BR PIN DV X =⨯TP V ：为漂移区的穿通电压 DX ：为实际PIN 二极管I 层的宽度M X : 为理想PIN 二极管I 层的宽度 BN ：为漂移区的掺杂度2）.圆柱面结和球面结的击穿电压:六、结终端技术对于有一定耐压要求的器件，不但材料参数、结构参数等要选择得在给定电压下不发生体击穿，而且还要采取一些特殊结构，使表面最大电场减小，使表面击穿电压符合要求。

这些特殊结构称为结终端技术。

1、 扩散保护环结构原理：采用深结扩散以增大半径r j ,提高结边缘的击穿电压。

（使 归一化曲率半径 /j Mr W η= 趋向于1，则: r j ≈W M ）若r j 接近10µm, 通常平面工艺中难以实现。

()()()()()()()()()()1212176171671122226ln 131ln 12311C Y C Y PT BR C Y BR PIN SP SP PT BR SP BR PIN C Y SP C Y SP V F V F V V F V F V F A B F B A F B A B F B A B ---=-⎧=-⎧⎪⎪≥ ⎪⎪⎪⎪⎨⎨⎡⎤≈-=-⎣⎦⎪⎪⎪⎪⎡⎤=∙-=--⎪⎪⎩⎣⎦⎩柱面部分，当B 2时球面部分()()222ln 0.251D J D J AB B B A X R B R R ⎧=--⎪⎨= =⎪⎩其中，，2、 场板（一) 结构：（二) 工作原理：当场板长度远大于下面氧化层和耗尽层厚度，由于场板带负电荷，N 衬底接地。

电场方向由N 衬底指向场板，场板下面N 衬底表面电子被耗尽。

1)场板内部的击穿电压为氧化层击穿电压与耗尽层击穿电压之和。

()1130.75834010 5.3410ox B B BR FP V t N N -=⋅+⋅当N B 及t ox 较大时，击穿电压与tox 为线性关系，而且N B 增加，击穿电压反而增加。

2）场板边缘的击穿电压相当于一个结深为3t ox 的圆柱体或球体的击穿电压()()()()628/76/7712ln 122BR cy BR pV V ηηηη-⎡⎤=++-⎢⎥⎣⎦圆柱体()()()2/326/7313/72.143BR sp BR pV V ηηηη⎡⎤=+-+⎢⎥⎣⎦ 球体其中：3/ox M t W η=T ox 减小、η减小、击穿电压变低，N B 增加、V (BR)P 下降、击穿电压下降。

当 1730.1,10o x B t m N c m μ-<<时击穿发生在场板边缘，当 1631,10ox B t m N cmμ->> 时击穿发生在场板内部。

3、场限环将主结表面承受的电场由N 个场限环来分担，以提高主结表面击穿电压。

N=V BR /V i,i+1-1 （V BR ：主结击穿电压； N ：场限环个数；V i,i+1为两场限环耐压值） 场限环耐压性能计算用 d i 表示相邻环之间的间距，V i,i+1 表示相邻环之间的电压，则:其中d i 和 r i 的单位为µm ， V i,i+1 的单位为V ， r i 代表掺杂区在表面的曲率半径 。

()()0.1252,10.8750.875161616165.19 5.193.87ln 120ln 1110101010B B i i i i i B i B N N V r r r N r N +⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫ ⎪⎪ ⎪=+++- ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭10.8752165.1910B i i i iN d r r r -⎡⎤⎛⎫=+∙- ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦第二章 可集成功率器件一、 双极型晶体管1、击穿电压：33241660 1.110g C CB E N BV -⎛⎫⎛⎫=⨯⨯ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭该式表明集电结击穿电压与集电极掺杂浓度N C 有关()()110001/1NN CE CB FCB BV BV BV αβ=⋅-=+ （硅：N=3）该式表明F α或β不宜过大。

集电结势垒区宽度：M CJS jCR XX XX =---∆JSX: 外延层厚度 JCX ：集电结结深R X ：掩埋层上返厚度 ∆：留有一定余量由此可见：击穿电压与外延层厚度和掺杂浓度N C 有关（纵向），同时也与物理层设计尺寸L BC 、L CS 有关（横向），必要时需加场板和场限环。

2、工作电流：I E =K E ×L E L E : 发射极有效周长→物理层设计。

3、导通电阻R ON :多元胞结构、网络结构→物理层设计。

4、工作频率：减小面积，降低寄生电容C D 、C T →物理层设计。

5、画出双极型晶体管的剖面图、版图示意图。

二、 达林顿双极型晶体管()121212122121be be bbV V R I R I ββββββββ=++-+-提高了晶体管的放大系数。

画出达林顿双极型晶体管等效电路图、剖面图、版图示意图。

三、 横向双扩散MOS 晶体管(LDNMOS 、LDPMOS)1、剖面图结构：2、工作电压：沟道长度 L=X jp -X jn+当V GS <V T 时，LDMOS 截止， I DC =0 BV DS =V PT +V PL22m axm ax 68A A PTs D N N q V L N ε-⎛⎫=+⎪ ⎪⎝⎭22dD PL SqN L V ε-=N Amax : 衬底杂质浓度 N D -: 漂移区杂质浓度 Ld: 漂移区长度由此可见:加上漂移区提高了BV DS当G STV V ≥时，LDMOS 导通。

高压LDMOS3、工作电流：()212D S P G ST D S D S W I K V V V V L ⎛⎫⎡⎤=-- ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦当工艺参数、电路参数确定后，由沟道宽度W 决定→物理层设计。

4、 导通电阻R ON :R ON =沟道电阻R on +漂移区扩展电阻R S沟道电阻:漂移区扩展电阻: 1212ln ln D D s L r L r R W r r ρπ⎡⎤⎛⎫⎛⎫--=+⎢⎥ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎣⎦与物理层设计有关 5、工作频率：减小面积，降低寄生电容C D 、C T →物理层设计。

6、画出可集成LDNMOS 、LDPMOS 单元的版图四、纵向双扩散MOS 晶体管（VDNMOS 、VDPMOS ）1、剖面图结构：（分立器件）()1on SG S T R R V V β=+-2、工作电压： 沟道长度 L=X jp -X jn+当V GS <V T 时，VDMOS 截止， I DC =0 击穿电压与N-层掺杂浓度N D 、厚度W 有关2D B R SqN WV ε=N D : 纵向漂移区杂质浓度 W: 纵向漂移区宽度由此可见:纵向漂移区提高了BV DS当G STV V ≥时，VDMOS 导通。

3、工作电流：()212D S P G ST D S D S W I K V V V V L ⎛⎫⎡⎤=-- ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦当工艺参数、电路参数确定后，由沟道宽度W 决定→物理层设计。