半导体器件设计概述

功率半导体的内涵

功率半导体是一类能够在高电压、高电流条件下工作的半导体器件，主要用于开关、控制和转换电能，功率半导体的基本原理可归纳为以下三个方面：

• 截至特性：当功率半导体截至时，其内部的电阻变得很大，从而阻止电流通过，起到开关的作用，耐压很高。
• 导通特性：当功率半导体导通时，其内部的电阻变得很小，使得大电流能够顺利通过，从而实现对电流的控制。
• 转换特性：功率半导体能够将输入的电能转换，通过调整截至状态和导通状态实现对电能的转换。

总结：能够进行功率处理的半导体器件。即，能够实现电能转换、专门处理大电流大功率的核心器件。

功率半导体器件概述

其中，功率集成电路是指，将功率半导体分立器件与驱动/控制/保护/接口/监测等外围电路集成而来的半导体器件，如IPM、SIC功率器件、电源管理芯片等。

半导体器件的击穿

反向击穿时，齐纳击穿和雪崩击穿是同时存在的，齐纳击穿比雪崩击穿更早出现，齐纳击穿可恢复

隧道击穿

雪崩击穿

基本定义：功率器件在出现明显的电流之前能够承受的最高电压，受限于雪崩击穿现象。功率器件是通过耗尽区来承受电压。当可动载流子在高电场中加速获得足够的能量时，就会在与晶格原子的碰撞中产线新的电子空穴对，这个碰撞电离过程决定了流过高电场耗尽区的电流。

雪崩倍增

在反偏PN结中从P区抽出到N区少子（电子）以及从N区抽出到P区的少子（空穴）构成反向饱和电流$I_s$

若反偏电压绝对值增大，导致势垒区电场足够强，使得势垒区内发生碰撞电离，产生新的电子-空穴对。

在势垒区强电场的作用下，新产生的电子和空穴作漂移运动，$I_s$倍增

若电场足够强到使得新产生的电子-空穴对也能够产生碰撞电离，这种连锁反应导致载流子雪崩似的剧增，使得反向饱和电流趋于无穷大，表现为“击穿”，称为“雪崩击穿”

碰撞电离

载流子在晶体中运动时如果与晶格原子发生碰撞电离，将能量传递给晶格上的价电子，使其能够脱离晶格原子束缚成为自由电子，从而产生新的电子-空穴对，称为碰撞电离

碰撞电离率$\alpha$

一个电子在经过单位距离通过碰撞电离产生的电子-空穴对的数目成为碰撞电离率，记为${\alpha }_n$

碰撞电离系数

空穴的碰撞电离系数${\alpha }_p$,被定义为空穴沿着电场方向在耗尽层运行1cm所产生的电子-空穴对数目。

碰撞电离系数为

$$\alpha =a{e}^{-b/E}$$

其中，E是电场在电流方向上的分量，a和b是半导体材料和温度相关的常数

雪崩击穿的条件

1. 倍增因子M：M为离开势垒区的电流与进入势垒区的电流之比：

$$M=I_{\mathrm{出}}/I_{\mathrm{入}}$$

2. 当单个载流子经过势垒区产生电子-空穴对数目为

$$m=\underset{W}{\overset{}{\int }}\alpha (x)dx$$

则：$I_{\mathrm{出}}=I_{\mathrm{入}}+m{I}_{\mathrm{入}}+m(m{I}_{\mathrm{入}})+.....$

得：$M=I_{\mathrm{出}}/I_{\mathrm{入}}=1+m+m^2+.....=\frac{1}{1-m}=\frac{1}{1-\underset{W}{\overset{}{\int }}\alpha (x)dx}$

当$${\int }_0^{x_d}\alpha dx\to 1$$时，M趋于无穷大，因此击穿条件为

$$m=\underset{W}{\overset{}{\int }}\alpha (x)dx\to 1$$

即只要单个载流子在通过势垒区时能够产生一个电子-空穴对就能导致击穿。此时M趋于无穷大，此时会有极大的碰撞电流产生，即发生雪崩击穿，而这时加在PN结两端的反偏电压即为击穿电压$BV$