巴利加优值

巴利加优值

在宽禁带和超宽禁带半导体相关的研究中,巴利加优值(Baliga figure of merit, BFOM)是一个经常出现的系数,它衡量了半导体材料特性对漂移区导通电阻的影响。 BFOM=εμE3c

ε是材料的介电常数,μ是电子迁移率,Ec是击穿场强。

要理解这个系数,要先想一想我们如何通过半导体物理构造一个开关呢?基本的想法就是构造一个势垒,施加反向偏压的时候这个势垒增大,关断电流;施加正向偏压的时候势垒减小,让电流可以通过去。对于这种结构,理想情况下它需要关断时没有漏电,且导通时没有电阻,当然现实中这两者不可避免地存在。尤其是对于高压、高功率器件来说,我们需要器件在很高的电压下才能够导通,这需要构造非常大的势垒。比如水管很小时,只需要一点小阻碍就可以堵住它了;但是想要对长江做类似的操作,需要建立一座三峡大坝。这不可避免地导致器件会有非常大的导通电阻,导致很大的导通损耗,在功率器件里这是关注的问题之一。

以功率MOSFET为例,他的基本原理和普通的MOSFET一样,但它的导通方向沿纵向的,沟道非常宽,可以得到很大的电流。电子进入源区电极,横向从栅极底下的反型层(N+区域)漂移至n型漂移区。然后电子垂直地从n型漂移区漂移至漏极。

图1:VDMOS的截面,是一个基本单元。 单元其实非常的小(数微米到数十微米的宽度),功率MOSFET中有上千个类似的单元

它的导通电阻可以写为 Ron=RS+RCH+RD

其中RS是源区欧姆接触电阻,RCH是沟道电阻,也就是漂移区电阻,RD是漏区欧姆接触电阻。到这里就可以理解最开始给出的巴利加优值到底是在说什么了,它衡量了半导体材料特性对漂移区导通电阻的影响。巴利加优值越大,则导通耗散越小,越利于制造高耐压低损耗的功率器件。要得到巴利加优值,实际上就是推导漂移区电阻的表达式,一个经典的例子是肖特基二极管。

肖特基二极管

肖特基二极管(Schottky Barrier Diode,SBD)不是利用PN结原理制作的, 和普通二极管相比,它只涉及到一种载流子,因此切换速度高、功耗也较低,在高频电路中有着广泛的应用。SBD的基本结构是N掺杂的半导体连接阴极,上面贵金属连接阳极,通过半导体与金属之间形成的金属-半导体结来实现整流效果。对于理想的SBD,我们可以通过耗尽近似求解泊松方程来获得耗尽区(漂移区)的三角形电场分布,这个过程和求解PN结的电场分布和假设是完全一样的。

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和PN结一样,电子也会从半导体中扩散到金属中,形成一个空间电荷区,或者叫漂移区或耗尽区,耗尽区的电阻可以表示成, Ron, ideal=VI=EwDANDEμ=wDqμnNDA

其中wD是耗尽区的厚度,ND是掺杂浓度,μn是电子迁移率,A是有效面积。电场乘上迁移率就是电子速度,掺杂浓度乘上有效面积就是电子面密度,再乘起来就是电流。我们可以求解这一区域的泊松方程,来获得电场分布, dEdx=qρϵ=qp+NDnNAϵ
最右边上面四个分别是空穴浓度、施主掺杂浓度、电子浓度和受体掺杂浓度。这里采用耗尽近似,即认为空间电荷区的电子浓度是很低而可以忽略的,因为他们扩散出去了,少子(空穴)的浓度也忽略不计,于是耗尽区的泊松方程变成了 dEdx=NDϵq
就得到了线性的电场分布,在空间电荷区的边界电场强度为0,在金属和半导体接触的地方场强达到最大值。耗尽区能承受的最大电压由它能承受的最大电场强度决定,而最大的电场强度由材料的临界击穿场强决定, Ec=NDϵwDq
此时耗尽区能承受的最大电压为 BV=wDEdx=12wDEmax
我们把BV称作预期击穿电压,耗尽区的宽度可以用预期击穿电压和临界场强来表示, wD=2BVEc
为了得到预期击穿电压,所需的掺杂浓度为 ND=ϵEcqwD=ϵE2c2qBV
此时单位面积的电阻为 Ron-ideal =4BV2ϵμnE3c
把分母就称作巴利加优值,它主要收到材料击穿电压的影响,因此半导体的禁带越宽,巴利加优值越大,耗尽区的导通电阻越小。

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