摘要：敘述了國(guó)內(nèi)外對(duì)PiN器件雪崩電壓理論極限的論述，詳細(xì)說(shuō)明了用ni=ND作為判定PiN器件雪崩電壓理論極限依據(jù)的合理性。進(jìn)而說(shuō)明了這一研究的重要意義,。 關(guān)鍵詞：PiN二極管,、雪崩、本征熱激發(fā)載流子濃度,、電壓極限 Abstract： Keyword：
0,、功率半導(dǎo)體器件如整流二極管、晶閘管等的反向（即阻斷）電壓到底能做多高,？這是所有功率半導(dǎo)體工作者都關(guān)心的問(wèn)題,。
早在1977年，國(guó)際著名功率半導(dǎo)體專家高佑長(zhǎng)【1】就提出了功率半導(dǎo)體器件耐壓的理論極限的問(wèn)題,。他以基區(qū)寬度對(duì)擴(kuò)散長(zhǎng)度的比值為參變量,，確立了一個(gè)高壓整流管及晶閘管的理論極限的實(shí)用原則。并在正向壓降不超過(guò)2.5V的前提下,，晶閘管最高雪崩電壓給到4250V【1】,，取得和當(dāng)時(shí)市售晶閘管參數(shù)的一致。
1,、以往的常規(guī)理論
功率半導(dǎo)體器件雪崩電壓的理論極限的問(wèn)題,，在我國(guó)權(quán)威的半導(dǎo)體物理學(xué)中，早已有定論,。如文獻(xiàn)【2】所述：一般半導(dǎo)體器件中,，載流子主要來(lái)源于雜質(zhì)電離，而將本征激發(fā)忽略不計(jì),。在本征載流子濃度沒(méi)有超過(guò)雜質(zhì)電離所提供的載流子濃度的溫度范圍,，如果雜質(zhì)全部電離，載流子濃度是一定的,，器件就能穩(wěn)定工作。但是隨著溫度的升高,，本征載流子濃度迅速地增加,。當(dāng)溫度高到本征激發(fā)占主要地位，器件將不能正常工作,。并認(rèn)為：在保持載流子主要來(lái)源于雜質(zhì)電離時(shí),，要求本征載流子濃度至少比雜質(zhì)濃度低一個(gè)數(shù)量級(jí)。
顯然這個(gè)電壓太低了,。實(shí)際上,，早在1970年就有10000V超高壓晶閘管的報(bào)導(dǎo)【5】；而高壓直流輸電已大量用到8500V的晶閘管,；日本東芝于1990年還有單只12000V晶閘管的報(bào)導(dǎo)【6】,。顯然整流二極管的耐壓就更高了，考慮到正向PN結(jié)對(duì)反向PN結(jié)的作用，晶閘管電壓至多為二極管電壓的80%,，按文獻(xiàn)【6】晶閘管已達(dá)12000V,，那么整流二極管至少可以作到15000V。和VB=2255V相比,，高了近7倍,。說(shuō)明上述傳統(tǒng)理論需要大大修正了。
2,、硅器件雪崩電壓的極限理論的熱議
2.1,、用本征熱激發(fā)載流子濃度ni來(lái)討論硅器件雪崩電壓的極限理論，是由我國(guó)著名電力電子專家王正元于1981年提出來(lái)的【7】,。他也采用文獻(xiàn)【3】的公式來(lái)計(jì)算本征熱激發(fā)載流子濃度,，并認(rèn)為器件在襯底濃度ND=ni時(shí)的對(duì)應(yīng)溫度，是一個(gè)臨界溫度,，并用符號(hào)TK來(lái)表示,。到了臨界溫度，熱激發(fā)的載流子將“淹沒(méi)”了摻雜載流子,，這時(shí)基區(qū)呈本征,，不再有導(dǎo)電類型的差別，PN結(jié)也將失去反向阻斷能力,。
盡管如此,，文獻(xiàn)【7】還是運(yùn)用了ND=ni，而不是至少高一個(gè)數(shù)量級(jí)作為PiN整流二極管的最高理論極限,。按著這一想法,，該文計(jì)算出欲制造10000V的整流二極管，其電阻率要超過(guò)500歐姆-厘米,。
該文表1給出在127℃時(shí),，運(yùn)用公式（2）計(jì)算出：ni=7.49×1012cm-3，我們將這個(gè)結(jié)果代入公式（3）,，經(jīng)計(jì)算得：VB=11795V,。而在125℃時(shí)，應(yīng)有ND=6.8×1012cm-3,，再運(yùn)用公式（3）計(jì)算出：VB=12681V,。這已和文獻(xiàn)【6】的實(shí)際結(jié)果接近了。
說(shuō)明用ND=ni來(lái)表述PiN二極管耐壓的理論極限很有參考價(jià)值,。
2.2,、我國(guó)著名功率半導(dǎo)體專家孟慶宗【8】運(yùn)用國(guó)際著名半導(dǎo)體專家S.K.Ghandhi給出的本征熱激發(fā)載流子濃度ni公式【4】，再議硅器件雪崩電壓的極限理論,。S.K.Ghandhi給出的ni公式是：
在ND=ni的前提下的二極管極限電壓的公式：
VB=B×TK –g ············（5）
（5）式中的常數(shù)為：g=11.2,，B=3.219×1033,。
在125℃下，用公式（4）得：ni=2.8×1012cm-3,。將其代入公式（3）,，經(jīng)計(jì)算得；VB=24670V≈24000V,。
將TK=125+273=398代入公式（5）得：VB=24500V≈24000V,。兩者計(jì)算基本一致，誤差來(lái)自取值近似不同所致,。
顯然,，這個(gè)結(jié)果和目前能商品化的器件水平，還有一定距離,，這是否可以定為今后的努力方向,。注意到文獻(xiàn)（7）（8）都沒(méi)有全盤(pán)否認(rèn)傳統(tǒng)的常規(guī)理論【2】，說(shuō)明完全認(rèn)為ND=ni的前提,，還是有所保留,。
2.3、文獻(xiàn)【10】進(jìn)一步從理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的角度,，論證了在ni=ND時(shí)PN結(jié)仍存在的道理,。證明如下：
假設(shè)N區(qū)在熱平衡時(shí)，電子,、空穴濃度各為nno,、pno，由電中性條件得：
nno=pno+ ND,， ············（6）
式中：ND——N區(qū)攙雜濃度
由于硅半導(dǎo)體為非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體,，有：
nno×pno =ni2 =ND2 ············（7）
聯(lián)立式（6）和式（7），求出nno=1.618 ND,， pno=0.618 ND,。
P區(qū)攙雜濃度為NA，設(shè)在本征溫度下熱平衡時(shí)P區(qū)的載流子濃度為npo,、ppo,。對(duì)于硅整流管，NA為1016~1020cm-3數(shù)量級(jí),；ND為1012~1014cm-3數(shù)量級(jí),，在本征溫度時(shí)ni=ND<
說(shuō)明P區(qū),、N區(qū)的載流子濃度相差仍很大,，必將因擴(kuò)散而形成空間電荷區(qū),，即說(shuō)明了ni=ND時(shí)PN結(jié)存在。
這為TK時(shí)用ni=ND作為PiN二極管極限電壓提供了理論依據(jù),。
2.4,、高溫舉例
當(dāng)高溫230℃時(shí)，再用上述理論來(lái)計(jì)算PiN二極管的極限電壓,。
對(duì)應(yīng)230℃,，其絕對(duì)溫標(biāo)為：503°K，將其代入公式（2）得：
ni=ND=1.1×1014cm-3,，代入公式（3）得：VB=1570V,。僅在國(guó)內(nèi)就早已有200V的230℃的整流二極管問(wèn)世【11】。
我們?cè)儆?/span>250℃,，來(lái)計(jì)算PiN二極管的極限電壓,。
250℃時(shí)，其絕對(duì)溫標(biāo)為：523°K,，將其代入公式（2）得：
ni=ND=6.9×1014cm-3,，代入公式（3）得：VB=398V。而我們于2010年生產(chǎn)的電阻焊機(jī)用200V二極管,，其等效結(jié)溫已達(dá)250℃,。說(shuō)明實(shí)際制造的器件已接近極限水平。相信隨著市場(chǎng)的不斷需求和材料,、工藝水平的不斷創(chuàng)新改造,，必將有更高溫度、更高耐壓的雪崩二極管器件誕生,。
3,、后記
所謂極限電壓，應(yīng)該是這樣一種電壓：它比目前器件電壓水平高,，但至少不是高一個(gè)數(shù)量級(jí),，從理論上要基本說(shuō)得通，即經(jīng)過(guò)努力有希望達(dá)到的那么一種渴望電壓,。
不言而喻,，關(guān)于硅器件的雪崩電壓極限的討論有非常重要的意義。它為高壓二極管,、高壓晶閘管等各種功率半導(dǎo)體器件耐壓極限提供了依據(jù),，特別是為各種高溫功率半導(dǎo)體器件的研制提供了理論根據(jù)。
這里討論的功率半導(dǎo)體器件耐壓極限,，僅僅是抓住其最關(guān)鍵最主要的影響因素,。實(shí)際上還必須考慮單晶材料的性能、截面電阻率的均勻性,、通態(tài)損耗功率的限制,、浪涌電流的限制,、表面造型鈍化保護(hù)以及動(dòng)態(tài)參數(shù)等的影響，這才是全面地對(duì)硅器件的雪崩電壓極限的論證,。
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