改进JBS结构以降低泄漏电流和提高浪涌电流能力

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2022-12-14

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JBS结构降低泄漏电流（I_R）

SBD是由半导体与金属的接合形成的。由于半导体和金属之间的势垒不同，它起着二极管的作用。由于半导体-金属界面上的分子结构可能是不连续的，因此可能会出现表面不规则、晶体缺陷或其它异常现象。当强电场作用于含有这些缺陷的半导体-金属界面时，会有所谓的泄漏电流（I_R）流动。

在具有传统结构的SBD中，耗尽区延伸到半导体侧（如下所示），导致电荷（或电子）产生的电场在半导体-金属界面处最强。

相反，在JBS二极管中，耗尽区延伸于部分埋在半导体表面下的p和n^-区之间。当反向偏压增大时，p型耗尽区相互穿插，最大电场位置直接移动到p区下面。这会减少可能存在缺陷的表面上的电场，从而减少泄漏电流。

传统结构的SBD

JBS SBD

集成PiN肖特基（MPS）结构提高浪涌电流能力

当传统的SBD正向偏置时，电流流过以下路径：金属 → 肖特基势垒 → Si （n^-） → Si（n⁺）。由于掺杂浓度较低，Si（n^-）层电阻较大。因此，此SBD的I_F-V_F曲线如下所示。

SiC SBD的应用包括PFC电路，PFC电路必须保证在大电流下工作，因为它们在电源接通和负载变化时都会瞬间暴露在大电流条件下。在这种情况下，具有如下所示的I_F-V_F曲线的SBD可能发生过热现象。

通过传统SBD的电流

传统SBD的I_F-V_F曲线

为了解决这个问题，东芝开发了一种新的SBD，它采用改进的JBS结构，其中包含了集成PiN-肖特基（MPS）结构的概念。MPS结构是其p+区埋在SBD的n-区中，如下所示。在东芝的设计中，JBS结构的部分p层（图中阴影部分）被放大，这部分的杂质浓度增加。p+区和n-区形成一个pn结二极管，在需要大电流（浪涌电流）时打开。这增加了SBD的载流能力，因此即使在大电流下也能降低正向电压的升高，并增加最大允许浪涌电流值。

MPS结构的特点是在阳极电极下方的p+–n-–n+结构。

在低电流下，n-区通常具有高电阻。然而，当SBD正向偏压时，空穴和电子分别从p区和n区流入n^-区，同时保持电中性。在这个时候，空穴和电子都存在于高浓度的n^-区内。因此，n^-区将作为高掺杂浓度区域，特别是在高电流下，表现出非常低的电阻（传导性调制）。因此，该SBD具有如下所示的I_F-V_F曲线，在高电流区域具有低V_F。

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