二极管的工艺设计理论

赵永红

（哈尔滨工大华生电子有限公司，黑龙江 哈尔滨 150080）

二极管P-N 结的击穿电压特性不仅是二极管本事的重要参数，也是设计半导体器件设计的基础。而半导体P-N 结击穿主要以齐纳击穿和雪崩击穿两种形式。而产生击穿的主要原因是，在强电场的作用下大大地增加了导带电子和满带空穴的数目，引起反向电流的急剧增加，引起P-N 结击穿。所以二极管设计时首先确认其反向击穿电压。

1 衬底杂质电阻率的确认

二极管P-N 结的反向击穿电压体现了杂质的内部运动，因此杂质浓度对击穿电压起到决定性的作用。击穿电压与高阻区杂质浓度NB 成反比（如图1）。根据杂质浓度与击穿电压关系中可以得出击穿电压与杂质浓度成反比。

图1 杂质浓度与击穿电压关系

对于突破结，击穿电压公式：

对于线性缓变结，击穿电压公式：

在二极管工艺设计时，根据突变结击穿电压公式，可确认高阻区的杂质浓度。则可以确认衬底杂质的电阻率。而从线性缓变结公式可看成击穿电压与杂质浓度梯度ajc有关。公式如下:

式中：NB——高阻区杂质浓度

NS——扩散表面浓度

Xjc——扩散结深

注：结深小于5 微米时系数2 为1。

如果杂质浓度确定，根据杂质浓度梯度公式，可得出二极管扩散结深。半导体器件设计击穿电压时，一般击穿电压VBR=1.2～1.5VRWM

其中，式中VRWM:反向工作峰值电压或最高反向工作电压。

2 外延层厚度的确认

根据线性缓变结击穿电压公式可得出击穿电压与杂质浓度成正比，扩散结越深击穿电压越高。当P-N 结加反向偏压是，P-N 结空间电荷区发生变化。

一般突变结空间电荷区宽度：

线性缓变结空间电荷区宽度：

所以工艺设计时确认杂质外延长厚度为：

外延长厚度=结深Xj+空间电荷区宽度W+衬底反扩散深度通常衬底反扩散深度为2μm

3 P-N 结的面积

式中:IQ——平均整流电流

J——势垒结电流密度

势垒结电流密度的选取参照如下：

结型二极管正向电流IF 与杂质浓度N 有如下关系

P+-N 结

IF=Aq

式中：

A——P-N 结有效面积

q——电子电荷=1.6×10-19库仑=4.8×10-10静电库仑

Lp——N 区中空穴的扩散长度

τp——N 区中空穴的寿命

ni——本征载流子浓度

Nn——N 区杂质浓度

e——自然对数

k——玻尔兹曼常数=1.38×10-16尔格/°K

T——绝对温度

V——电压

N+-P 结

IF=Aq

式中：

Ln——P 区中电子的扩散长度

τn——P 区中电子的寿命

Np——P 区杂质浓度

实际测试结果（图1）也与上式相符。

图2

●正向压降VF≤1.2V 时，当高阻区杂质浓度Nn(或Np)在1014cm-3～1016cm-3，J 可以取100A/cm2～130A/cm2。

●正向压降VF≤1.2V 时，当高阻区杂质浓度Nn(或Np)在1016cm-3～1018cm-3时，J 可以取80A/cm2～120A/cm2。

●正向压降VF在1V 或1V 以内时，J 可以取80A/cm2左右。高压整流管（VBR≥1500V 包括高压硅堆），J 可以取30A/cm2～50A/cm2。

4 二极管结电容

二极管在低频下，具有单向导电作用。当工作在高频是，由于二极管P-N 结电容特性（即二极管电容效应），这种特性使二极管单向导电特性更差。所以二极管在高频作用下，必须考虑P-N 结电容的影响。而P-N 结电容通常分为扩散电容和势垒电容。而势垒电容是半导体设计时考虑重点。所以本文以势垒电容来说明P-N 结电容与设计关系，得出P-N 结电容关系式如下：对于突变结势垒电容：

对于线性缓变结势垒电容：

根据P-N 结电容关系式可知，P-N 结电容与衬底杂质浓度和反向击穿电压有关，衬底杂质浓度约低，单位面积的结电容越小。反向击穿电压越高，单位面积的P-N 结电容越小。