不同SiC材料p+（p-/n-）n+型二极管反向恢复过程的仿真

蒋佩兰，韦文生，赵少云，刘路路（温州大学物理与电子信息工程学院，浙江温州 325035）



不同SiC材料p+（p-/n-）n+型二极管反向恢复过程的仿真

蒋佩兰，韦文生†，赵少云，刘路路
（温州大学物理与电子信息工程学院，浙江温州 325035）

摘 要：讨论了SiC材料p+/p-（n-）/n+型二极管的集总电荷模型，利用Matlab编程数值仿真了p-（n-）型基区器件的反向恢复过程．分析了器件的反向恢复时间、反向恢复最大电流与基区的少子寿命、载流子浓度、载流子迁移率、宽度、温度等参数的关系．结果表明，用4H-SiC设计的p-型基区二极管的反向恢复性能最优．若基区的少子寿命越短、载流子浓度越高、温度越低，则器件的反向恢复时间越短，反向恢复最大电流越小．本文可作为SiC功率二极管优化设计及其反向恢复特性仿真的教学案例．

关键词：SiC；p+/p-（n-）/n+型二极管；反向恢复；数值模拟

相对Si材料而言，SiC材料具有更高的热导率、临界击穿场强、空穴与电子的迁移率差别大等特性，SiC器件被越来越多地用于电子电力、通信雷达等系统中．SiC二极管的反向恢复行为是影响器件可靠性、系统工作效率的重要因素，日益受到学术界、产业界的重视，已从实验研制、理论分析及模拟仿真等方面进行了研究［1-3］．基于半导体器件物理基础上的器件模拟技术，可以节约时间、成本，并与研制结果互相校验，受到了技术人员的青睐．已用SPICE软件仿真了Si二极管的正反向恢复特性［4］．用ISE-TCAD软件设计的基区渐变掺杂4H-SiC材料p+/p-（n-）/n+型二极管，比基区不变的器件具有更加优良的反向恢复特性［5］．本课题组也进行了基于分析模型的4H-SiC材料p+/n-/n+型二极管反向恢复过程的仿真［6］，结果与实验吻合．4H-SiC、6H-SiC和3C-SiC是常用的SiC材料，其结构、材料理化参数差异明显，因而使用三种材料制备的器件性能不同，但此前报道的研究结果的对比还不多见．

已经开展了基于集总电荷模型的功率器件仿真①Saadeh O S， Mantooth H A， Balda J C， et al. The modeling and characterization of silicon carbide thyristors ［C］. 2008 Power Electronics Specialists Conference， 2008﹕ 1092-1097.，该模型应用于Si材料p+/p-（n-）/n+型二极管反向恢复特性的仿真与实验结果相符［7］，证明了此模型的有效性．一般地，在正常的工作电流、电压条件下，不同材料半导体构成的同一种器件的物理规律具有普适性．本文借鉴了Si材料p+/p-（n-）/n+型二极管的集总电荷模型［7］，分别应用到4H-SiC、6H-SiC和3C-SiC三种SiC材料p+/p-（n-）/n+型二极管上，每种器件内p+、p-（n-）、n+区的材料相同．改变基区的少子寿命、载流子迁移率、载流子浓度、基区宽度以及器件工作温度等参数，利用Matlab编程技术来数值模拟此三种SiC材料p+/p-（n-）/n+型二极管的反向恢复过程，分析器件的反向恢复时间、反向恢复最大电流与以上参数变化的关系．文中比较了三种SiC材料制备的p+/p-（n-）/n+型功率二极管的反向恢复性能，找出三种器件的反向恢复时间、反向恢复电流等的差异．而且发现Si与SiC同型器件的性能显著不同，是由于Si与SiC在理化特性等方面的区别所致．

1　器件结构及建模

不同SiC材料p+/p-（n-）/n+型功率二极管的集总电荷模型如图1所示，其中每个器件中p+区、p-（n-）区、n+区的材料相同．该模型假设器件内部各个区域的电流均匀，且满足电流密度方程、连续性方程、准中性条件、玻尔兹曼关系式（p/n结方程）、基尔霍夫电流/电压法则、泊松方程等［7］．根据二极管的结构、材料参数、边界条件和初始条件定义各个变量，列出并求解以上方程，可得反向恢复过程的电流-时间关系式．然后在计算机上利用Matlab编程求解，把二极管的结构、材料参数、边界条件和初始条件等参数值赋给所定义的变量，执行所编程序，可输出并显示所得的反向恢复电流-时间关系图．采用控制变量法，可得到基区的少子寿命、载流子浓度、载流子迁移率、宽度、温度等参数变化时的反向恢复电流-时间图．限于篇幅，此处不赘述推导过程，细节可参考文献［8］．

图1　p+（p-/n-）n+型二极管结构示意图

图1中，数字1 - 5分别取自二极管p+/p-（n-）结附近、基区中点、p-（n-）/n+结附近，Vij表示相应区域的电压，pk（nk）表示相应区域的空穴（电子）浓度，d为二极管基区总宽度，ip23、in23分别为2、3区空穴（电子）电流，ip34、in34分别为3、4区空穴（电子）电流．利用Matlab编程进行数值计算仿真反向恢复过程．如无特殊说明，仿真用到的器件结构及材料参数选自文献［9-10］，如表1所示．

表1　不同SiC材料p+（p-/n-）n+型二极管的结构及材料参数

2　结果与分析

模拟了4H-SiC、6H-SiC和3C-SiC等材料p+（p-/n-）n+型二极管的反向恢复过程，并对结果进行了讨论．

2.1不同SiC材料二极管的反向恢复过程

T=300 K时，不同SiC材料二极管的反向恢复过程如图2所示．可见，对于p-（n-）型基区的二极管，4H-SiC器件的反向恢复时间trr最短，6H-SiC器件的trr次之，3C-SiC器件的trr最长．这是因为4H-SiC材料的少子迁移率最大，6H-SiC材料的少子迁移率次之，3C-SiC材料的少子迁移率最小所致．材料相同时，p-型基区的器件的trr比n-型基区的器件的trr短，这是p-型基区的少子（电子）迁移率比n-型基区的少子（空穴）迁移率大所致．因为其它参数相同时，基区少子迁移率大，说明它被扫出得越快，所得器件的trr就短．不同材料p-型基区的器件的反向恢复过程区别更显著，是因为p-型基区的少子（电子）迁移率差别明显所致．

图2　不同SiC材料二极管的反向恢复过程图

2.2基区少子寿命对反向恢复过程的影响

T=300 K时，3C-SiC二极管基区的少子寿命t分别为4 nS、12 nS、36 nS时的反向恢复过程如图3所示．可见，基区少子寿命t越短，器件的反向恢复时间trr和反向恢复最大电流Irrm越小．这是因为少子寿命t越短，复合作用增强，复合越快，所以trr越小．另外，少子寿命t越短，它的有效数量越少，Irrm就越小．基区的少子寿命t相同时，p-型基区器件的Irrm与n-型基区器件的Irrm相同，这是少子复合速率、有效数量相同所致．

图3　不同基区少子寿命的3C-SiC二极管的反向恢复过程图

2.3基区载流子迁移率对反向恢复过程的影响

T=300 K时，假设μn0=700 cm2·V-1·S-1，μp0=35 cm2·V-1·S-1，当基区载流子迁移率μn/μn0和μp/μp0分别为0.50、1.0、2.0时，3C-SiC器件的反向恢复过程如图4所示．可见，p-型基区二极管的trr比n-型基区的二极管的trr短，这是p-型基区的少子（电子）迁移率比n-型基区的少子（空穴）迁移率大所致．因为其它条件相同时，基区少子迁移率大，说明它被扫出得越快，所得器件的trr就短．p-型基区的不同迁移率对反向恢复过程的影响更明显，是因为p-型基区的少子（电子）迁移率差别更大所致．

图4　不同基区载流子迁移率的3C-SiC二极管的反向恢复过程图

2.4基区载流子浓度对反向恢复过程的影响

T=300 K时，假设p-/n-型基区的载流子浓度NB分别为8×1013cm-3、8×1014cm-3、8×1015cm-3时，3C-SiC器件的反向恢复过程如图5所示．可见，基区NB越大的器件的trr越短，这是因为NB越大时寿命t越短，则复合作用增强，载流子在基区存在的时间变短，因此trr随NB增大而变短．另外，NB越大时Irrm越小，是因为Irrm与少子浓度相关，NB越大时少子浓度反而越低，所以Irrm越小．

图5　不同基区载流子浓度NB的3C-SiC二极管的反向恢复过程图

2.5基区宽度对反向恢复过程的影响

T=300K时，假设p-/n-型基区的宽度WB分别为4 µm、14 µm、24 µm时，3C-SiC器件的反向恢复过程如图6所示．可见，基区宽度越大的二极管的trr越长．因为其它条件相同时，基区宽度越大，基区少子就越多，基区的场强越弱，外场抽取少子就越慢，所以基区宽的器件的trr就越长．

图6　不同基区宽度WB的3C-SiC二极管的反向恢复过程图

2.6 温度对反向恢复过程的影响

假设温度T分别为150 K、300 K、450 K时，3C-SiC器件的反向恢复过程如图7所示．可见，高温时二极管的trr比低温时二极管的trr长．一定温度范围内SiC材料中载流子寿命t随着温度的升高而逐渐增大［3］，随着温度升高，器件基区的t随之增大，复合作用减弱，载流子在基区存在的时间变长，因此trr随之增大．另外，T越高时Irrm越大，是因为Irrm与t相关，T越高时t越长，复合作用减弱，所以Irrm越大．

图7　不同温度T的3C-SiC二极管的反向恢复过程图

文献［9-10］测量了不同基区厚度的4H-SiC功率二极管在不同正向电流密度、不同温度下的反向恢复电流密度，并进行了数值模拟，发现二者的结果吻合．本文的结果中，基区厚度、温度对器件反向恢复电流的影响效果与该文献的结论相符，为本文方法的有效性提供了例证．本文结果与文献［7］对比发现，SiC功率二极管的trr、Irrm远小于同型Si器件的trr、Irrm，是由于SiC的载流子寿命远小于Si的载流子寿命所致．

4　结 论

在构建不同SiC材料p+/p-（n-）/n+型二极管集总电荷模型的基础上，采用Matlab编程仿真了p-（n-）型基区器件的反向恢复过程．结果表明，由于4H-SiC的电子迁移率高，用它设计的p-型基区二极管的反向恢复性能最优．器件基区的少子寿命越短、载流子浓度越高、载流子迁移率越高、宽度越大、温度越低，则其反向恢复时间越短．另外，器件基区的少子寿命t越短、载流子浓度越高、温度越低，其反向恢复最大电流越小．本文对设计SiC材料p+/p-（n-）/n+型功率二极管有一定的指导作用，也可作为二极管反向恢复过程仿真的教学案例．

参考文献

［1］ Yuan X， Walder S， Oswald N. EMI generation characteristics of SiC and Si diodes﹕ Influence of reverse recovery characteristics ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics， 2015， 30， （3）﹕ 1131-1136.

［2］ Jahdi S， Alatise O， Li R， et al. Accurate analytical modeling for switching energy of PIN diodes reverse recovery ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2015， 62， （3）﹕ 1461-1470.

［3］ Luo H Z， Li W H， He X N. Online high power P-i-N diode chip temperature extraction and prediction method with maximum recovery current di/dt ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics， 2015， 30， （5）﹕ 2395-2404.

［4］ Liang Y C， Gossbell V J. Diode forward and reverse recovery model for power electronic SPICE simulations ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics， 1990， 5， （3）﹕ 346-356.

［5］ Zhang J Y， Zhang Y M， Zhang Y M， et al. Structure design and characteristics analysis of 4H-SiC PiN switching diodes ［J］. IEEE 5th International Conference on Electron Devices and Solid-State Circuits， 2009， 1﹕ 310-313.

［6］ Wei W S， Li J， Zhao S Y. Numerical analysis on reverse recovery characteristics of 4H-SiC p+-n--n+power diode with injection conditions ［J］. Applied Physics A， 2015， 118﹕ 1387-1398.

［7］ Ma C L， Lauritzen P O， Sigg J. Modeling of power diodes with the lumped-charge modeling technique ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics， 1997， 12（3）﹕ 398-405.

［8］ 蒋佩兰. 不同SiC材料超快二极管的正反向恢复特性［D］. 温州﹕ 温州大学物理与电子信息工程学院， 2015﹕ 1-8.

［9］ Bellone S. An analytical model of the switching behavior of 4H-SiC p+-n--n+diodes from arbitrary injection conditions ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics， 2012， 27﹕ 1641-1652.

［10］ Camara N， Zekentes K， Zelenin V V， et al. 4H-SiC p-i-n diodes grown by sublimation epitaxy in vacuum （SEV） and their application as microwave diodes ［J］. Semiconductor Science and Technology， 2008， 23（2）﹕ 1-9.

（编辑：封毅）

Simulation on Reverse Recovery Process of p+/p-（n-）/n+Type Diodes with Different SiC Materials

JIANG Peilan， WEI Wensheng， ZHAO Shaoyun， LIU Lulu
（College of Physics and Electronic Information Engineering， Wenzhou University，Wenzhou， China 325035）

Abstract：A lumped charge model for SiC material p+/p-（n-）/n+type diode is proposed in this paper. The reverse recovery process of the devices with p-（n-） type base region is numerically simulated via Matlab program. The relationship between reverse recovery time， maximum reverse recovery current and the minority carrier lifetime， carrier concentration， carrier mobility， width and temperature in base region is analyzed. The results show that the reverse recovery performance of 4H-SiC diode with p-type base region is the best. With falling the lifetime of minority carrier and temperature while raising the concentration of carrier， the values of reverse recovery time and maximum reverse recovery current decrease. This research can be used as a teaching case for optimized design of the SiC power diode while simulating its reverse recovery characteristics.

Key words：SiC； p+/p-（n-）/n+Type Diode； Reverse Recovery； Numerical Simulation

作者简介：蒋佩兰（1992- ），女，浙江兰溪人，研究方向：信息与通信系统．† 通讯作者，weiwensheng@wzu.edu.cn

基金项目：国家自然科学基金（61274006）；浙江省大学生科技创新活动计划暨新苗人才计划（2014R424017）

收稿日期：2015-08-03

DOI：10.3875/j.issn.1674-3563.2016.02.005 本文的PDF文件可以从xuebao.wzu.edu.cn获得

中图分类号：TN31

文献标志码：A

文章编号：1674-3563（2016）02-0033-06