Introduzione: Doping come Leva di progettazione primaria in Power Diodes

I diodi di potenza sono i cavalletti di lavoro dell'elettronica di potenza moderna, che vanno dalla semplice rettifica degli alimentatori al rapido passaggio in inverter e bloccaggio induttivo. Mentre il diodo P-N di base costituisce la base di un diodo, il controllo preciso sulla concentrazione di doping all'interno dei suoi strati di semiconduttore detta il grado di tensione del dispositivo, l'efficienza, la velocità di commutazione e la robustezza.

Fisica dei semiconduttori di Doping nelle strutture di potere

Il comportamento elettrico di un diodo di potenza è radicato nella manipolazione delle concentrazioni dei vettori. Con l'introduzione di atomi donatori (tipicamente Phosphorus o Arsenic per N-type) o atomi di ammortizzatore (Boron per P-type) in un reticolo di silicio, la concentrazione del vettore intrinseco è sostituita da una densità di carico estrinseca controllata.

Impatto di concentrazione di doping sui parametri elettrici di base

Goccia di tensione in avanti (V]F[])

La riduzione della tensione in avanti è una funzione di riduzione dell'efficienza critica. In avanti la resistenza della regione deriva è il contributore dominante di V F nella maggior parte dei diodi di potenza. La resistenza dell'Ohmic è direttamente proporzionale alla resistenza specifica della regione della deriva, che è inversamente proporzionale alla concentrazione di doping.

Tensione di rottura inversa (V]BR])

Questo è forse il parametro più diretto di doping-dipendente in un diodo di potenza. La tensione di rottura è determinata dalla condizione che l'integrale del coefficiente di ionizzazione attraverso la regione di depletione uguale unità. Per un lato abrutto P+ causa distinguono la tensione di rottura ha un rapporto di potere-legge inverso ben stabilito con la concentrazione di doping di sfondo:

Corrente di leakage inversa (IR])

La corrente di dispersione in un diodo di potenza proviene da due fonti principali: la corrente di diffusione nelle regioni neutre e la corrente di generazione nella regione di deplezione. La corrente di generazione è proporzionale alla concentrazione di vettore intrinseca e la larghezza di deplezione. Mentre una maggiore concentrazione di doping riduce la larghezza di deplezione (potenziando la corrente di generazione da quella componente), aumenta anche il campo elettrico di picco, che può aumentare la generazione di vettore attraverso la formazione di derivazione eccessiva attraverso la larghezza di derivazione di derivazione di interconnessione, intrito, intribuisce, in particolare

Tempo di recupero inverso (t]r) e fattore di morbidezza

La funzione di recupero dello snap-in inverso è definita dalla rimozione della carica immagazzinata dalla regione di deriva durante la transizione di spegnimento. La quantità di carica immagazzinata (Q]r) è direttamente proporzionale alla corrente di inoltro e alla durata del vettore di minoranza.

I Trade-off fondamentali che governano la selezione Doping

Tensione in avanti vs. tensione di rottura (il limite di silicio)

Questo scambio è l'aspetto più studiato del design dei semiconduttori di potenza ed è spesso quantificata dalla specifica on-resistance (R su,sp]) vs. rapporto di tensione di rottura. Per una determinata regione di deriva, aumentando la tensione di rottura richiede una più spessa e più leggera regione di deriva.

Velocità di commutazione vs. Corrente di perdite

L'ottimizzazione di un diodo per la velocità di commutazione elevata richiede una breve durata di trasporto nella regione della deriva. Questo è tipicamente raggiunto introducendo centri di ricombinazione nel silicio attraverso la diffusione del platino, la diffusione dell'oro, o l'irradiazione dell'elettrone. Mentre queste tecniche di morte della vita riducono drasticamente t]rr[FLT:

Soft Recovery vs. Stored Charge

La forma dell'onda di recupero inverso è cruciale per l'affidabilità del sistema. Un "snappy" o brusco recupero si verifica quando la carica immagazzinata è esaurita molto rapidamente alla fine della fase di recupero, portando a un cambiamento di corrente affilato (alto dI / dt). Questa condizione è esacerbata in diodi con una regione di deriva uniforme e leggermente dopata.

Profili doping in Mainstream Power Diode Architectures

PIN (P-Intrinsic-N) Diodi

Il diodo PIN è l'architettura standard per la rettifica di alta tensione (> 600V) . La "intrinsic" o leggermente doped regione deriva (I-layer) domina le caratteristiche di blocco. La concentrazione di doping in questa I-layer è tipicamente eccezionalmente bassa (ad esempio, 1012 a 1013

Diodi Schottky

I diodi di Schottky si basano su un incrocio di semisemiconduttori di metallo piuttosto che su un incrocio P-N. Sono dispositivi di supporto di maggioranza, il che significa che non c'è nessuna carica di epittura di minori dimensioni, con conseguente esplosione estremamente rapida e praticamente nessuna perdita di recupero inversa.

Diodi epitassiali di recupero rapido (FREDs)

I FRED sono dei diodi PIN ottimizzati progettati per il commutatore ad alta velocità nei circuiti IGBT e MOSFET. Si impiegano un profilo di doping verticale specifico, tipicamente costituito da un emettitore P+, una regione di deriva N-type e uno strato di buffer N+ preciso. Lo strato di buffering è la caratteristica di definizione di un moderno FRED. Il suo scopo è quello di controllare il campo elettrico sottoblocco inverso e terminare la regione di deplepingendo con precisione la regione di profondità.

Merged PIN Schottky (MPS) Diodi

Il diodo MPS integra un contatto Schottky e le regioni di p-well in una struttura singola cella. In avanti la regione di Schottky porta la maggior parte della corrente, fornendo basso VF e comportamento del vettore di maggioranza. In condizioni di aumento della corrente, le regioni di P-otty inject vettori di minoranza, fornendo modulazione di conducibilità e impedendo il funzionamento termico.

Tecniche di Doping Avanzate nella fabbricazione di dispositivi moderni

Personalizzato Buffer Layers e Field Stop Design

La resistenza all'alto-tensione moderna (±600V) è quasi esclusivamente un'applicazione di design di campo-stop abilitata da un controllo preciso del doping. Invece di una semplice struttura P-I-N, una regione leggera della deriva dopata è seguita da un N-buffer altamente dopante.

Controllo della vita e Doping localizzato

Il doping interagisce strettamente con l'introduzione intenzionale dei centri di ricombinazione. Piuttosto che uccidere uniformemente la vita attraverso l'intero wafer, le tecniche moderne usano l'uccisione a vita localizzata. Per esempio, l'irradiazione dell'elettrone può essere concentrata sul lato dell'anodo per ridurre l'efficienza dell'iniezione senza compromettere la durata del vettore nella regione della deriva.

Conclusione: Ottimizzazione Doping per le prestazioni specifiche dell'applicazione

La concentrazione di doping in un diodo di potenza non è solo un parametro di produzione; è la variabile centrale in un problema di ottimizzazione multidimensionale. Il profilo di doping selezionato definisce la capacità di blocco della tensione del dispositivo, perdite di conduzione in avanti, velocità di commutazione, correnti di fuga e robustezza.