パワー・ダイオードの特性

1

パワー・ダイオードの特性(rev.2)

松田順一

群馬大学

2

概要

• パワー・ダイオードの用途と特徴

• ショットキー・バリア・ダイオード

– メタル・半導体コンタクト – 順方向特性 – 逆方向特性 – トレードオフ・カーブ、パワー消失と温度、バリア低下、エッジ終端構造 – 高耐圧ショットキー・バリア・ダイオード

• PiNダイオード

– 順方向特性（極低、低、高レベル注入） – 逆方向特性（リバース・リカバリー特性,ライフタイム制御） – ドーピング不純物 – オーミック・コンタクト – 最大動作温度

• JBS （Junction Barrier Controlled Schottky） ダイオード

• MPS（ Merged PiN/Schottky）ダイオード

• トレンド

（注）群馬大学アナログ集積回路研究会 第６５回講演会（2007年7月20日）資料から抜粋

3

ダイオードの種類

• 整流ダイオード

– 一般用、高速用、

ファースト・リカバリー・ダイオード

• ショットキー・バリア・ダイオード

– 整流用

、小信号用、高周波用

• ツェナー・ダイオード

– ESD保護用、定電圧用

• 可変容量ダイオード

– チューナー（ AM, FM, UHF/VHFなど）用、VCO用

• 可変抵抗（PiNダイオード）

4

パワー・ダイオードの用途と特徴

• 用途：DC-DCコンバータ、AC-DCコンバータ

– 情報、家電、車載等の各種スイッチング電源

• 特徴

– ショットキー・バリア・ダイオード

• 低順方向電圧V

_F

（0.5～0.6V）

• リーク電流大

• ユニポーラ

• 逆特性リカバリー：早い

– PiNダイオード

• 高順方向電圧V

_F

（～0.9V）

• リーク電流小

• バイポーラ（

伝導度変調により低抵抗化

）

• 逆特性リカバリー：遅い

5

DC-DCｺﾝﾊﾞｰﾀの基本回路

Vi Vo － ＋ Vi Vo ＋ － Vi Vo ＋ －

降圧型

昇圧型

昇降圧型

6

エネルギー・バンド

－メタルと半導体：分離－

メタル

半導体（ｎ型）

m F

E

s F

E

V

E

C

E

m



s



s



7

エネルギー・バンド

－メタルと半導体：接触－

m F

E

_E

_Fs V

E

C

E

bn



qV

bi 0

W











s



F C s m s F C bi bn

qV

E

E

E

E

qV



















ショットキー

バリア障壁

空乏層

D bi s

qN

V

W

₀



2



メタル

半導体（ｎ型）

8

順方向電導におけるｴﾈﾙｷﾞｰ・ﾊﾞﾝﾄﾞ

m F

E

s F

E

V

E

C

E

bn



qV

bi



qV

F

メタル

半導体（ｎ型）

F

qV

(a) (b) (c) (d) (a)が支配的 ⇒ユニポーラ デバイス

9

電流電圧特性

• ショットキー・バリア界面を横切る電流

– 熱電子放出



 







印加電圧

バリア高さ、

　　

ボルツマン定数、

電子電荷、

絶対温度、

　　

）

型

　（

　　　

）

型

　（

　　　

数

実効リチャードソン定

　　

:

:

:

:

:

GaAs

N

/K

A/cm

140

Si

N

/K

A/cm

110

:

1

2 2 2 2 2

V

k

q

T

A

A

A

e

e

AT

J

bn kT qV kT q _bn















10

ｼｮｯﾄｷｰ・ﾊﾟﾜｰ・ﾀﾞｲｵｰﾄﾞのｴﾈﾙｷﾞｰ・ﾊﾞﾝﾄﾞ

メタル コンタクト エネルギー バンド 等価回路 D

W

W

S F

E

C

E

V

E

D

R

R

_S N型ドリフト領域 N+_基板

11

順方向電流特性

• 順方向電流

• 順方向全電圧降下



 



を横切る電圧

ショットキー・バリア

　　

_:

2 FB kT qV kT q F

V

e

e

AT

J



 bn FB  

コンタクト抵抗

ドリフト領域、基板、

　　　　

当り）

全直列抵抗（単位面積

　　

：飽和電流

　　























:

ln

2 S kT q S F S S F F

R

e

AT

J

J

R

J

J

q

kT

V

bn 

1.0E-09

1.0E-08

1.0E-07

1.0E-06

1.0E-05

1.0E-04

1.0E-03

1.0E-02

1.0E-01

1.0E+00

1.0E+01

1.0E+02

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

バリア高さ

Φ

_bn

（eV)

飽和電流

J

S

（A

/ｃｍ

2

）

T=300K

T=350K

T=400K

T=450K

12

飽和電流のﾊﾞﾘｱ高さ依存性

－ショットキー・バリア・ダイオードー

A=110(A/cm2_/K2₎ J_SはΦ_ｂｎとTに強く依存

13

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.E+01

1.E+02

1.E+03

電流密度J

_F

（A/cm

2

)

順方向電圧

V

F

（V

)

50V

100V

150V

200V

300V

ﾌﾞﾚｰｸ･ﾀﾞｳﾝ電圧の順方向特性への影響

－ショットキー・バリア・ダイオードー

ブレーク･ダウン 電圧BVｐｐ 基板抵抗とコンタクト抵抗無視 Φ_bn=0.8eV, T=300K V_F（SBD)≒0.5V (at BVpp=50V, J_F=100A/cm2_{) < V} F(PiN)≒0.9V（ｔｙｐ） SBDは高電圧では一般的に使用不可 N型ドリフト領域の 抵抗増大による

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

300

350

400

450

500

温度

T

（K)

順方向電圧

V

F

（

V

)

0.7(eV)

0.8(eV)

0.9(eV)

14

順方向電圧の温度依存性

－ショットキー・バリア・ダイオードー

bn



バリア高さ

J_F=100A/cm2 低ﾌﾞﾚｰｸﾀﾞｳﾝ電圧の場合：BVpp（≒50V） T上昇 ⇒ J_S増大 ⇒ V_F低下

















ln

₂

AT

J

q

kT

V

_F



_bn F

15

ｲﾒｰｼﾞ･ﾌｫｰｽによるｼｮｯﾄｷｰ･ﾊﾞﾘｱ低下

m F

E

s F

E

C

E

E

m

x

x

b





bn



イメージ・フォースによる_{ポテンシャル・エネルギー}

0



_{R bi}



s D m s m b

V

V

qN

E

qE















,

2

4

　

0.0E+00 1.0E-06 2.0E-06 3.0E-06 4.0E-06 5.0E-06 6.0E-06 0 10 20 30 40 50

逆方向電圧

V

_R

(V)

リ

ー

ク

電流密度（

A/

c

m

2

)

JS(A/cm2) JR1（A/cm2) JR2（A/cm2) 16

リーク電流特性

－ショットキー・バリア・ダイオードー

JS：飽和電流 JR1：バリア低下考慮 JR2：バリア低下 ＋アバランシェ倍増考慮   kT q R R b bn

e

AT

V

J

₁

(

)





2    リーク電流 ・Φ_bn低下（支配的） ・空間電荷発生 と拡散成分（無視） Φ_bn低下 ｲﾝﾊﾟｸﾄ･ｲｵﾝ化 飽和電流

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 300 320 340 360 380 400 420 440 460 480 500 温度

T

（K） リ ー ク 電流密度

JR

2 （ m A/ c m 2 ） 0.6(eV) 0.7(eV) 0.8(eV) 0.9(eV) 17

リーク電流の温度依存性

－ショットキー・バリア・ダイオードー

bn



バリア高さ JR2：バリア低下＋アバランシェ倍増考慮 逆方向電圧：10（V） 熱暴走（正帰還） パワー消散増大 ⇒ 温度増大 リーク電流増大

18

順方向電圧と逆方向ﾘｰｸ電流のﾄﾚｰﾄﾞｵﾌ

1.E-06

1.E-05

1.E-04

1.E-03

1.E-02

1.E-01

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

順方向電圧

V

_F

（V)

逆方向リ

ー

ク

電流密度

J

R

（A

/cm

2

）

300(K)

350(K)

400(K)

450(K)

バリア低下無視 アバランシェ倍増無視 ドリフト領域抵抗無視 J_F=100(A/cm2₎















kT

qV

J

J

_{R F}

exp

F トレードオフはΦ_bn から決定 ⇒ Siを他の半導体に変えても改善されない。（低耐圧の場合）

0 5 10 15 20 25 30 35 300 350 400 450 500 温度T（K） パワ ー 消失密度（ W / c m2 ） 0.6(eV) 0.7(eV) 0.8(eV) 0.9(eV) 19

パワー消失と温度との関係

－パラメータ：バリア高さー

J_F=100 (A/cm2_） V_R=20 （V） デューティ比：0.5 バリア高さΦ_bn Φ_bnは最低0.7(eV)以上必要 V_F低下 リーク電流増大





T

t

T

V

J

T

t

V

J

P

_D



_{F F} on



_{L R}



on

0 5 10 15 20 25 30 35 300 350 400 450 500 温度

T

（K） パワー 消失密度（ W / c m 2 ） D=0.1 D=0.25 D=0.5 D=0.75 20

パワー消失と温度との関係

－パラメータ：デューティ比ー

デューティ比 J_F=100 (A/cm2_） V_R=20 （V） Φ_bn=0.8(eV) 最小値のところのTはDと共に増大

21

ショットキー・バリア高さ

シリサイド

CrSi

₂

MoSi

₂

PtSi

₂

WSi

₂

バリア高さ（eV）

0.57

0.55

0.78

0.65

シリサイドのショットキー・バリア高さ（ｎ型Si上のシリサイド）

(2)

メタルの仕事関数とショットキー・バリア高さ（ｎ型Si上のメタル）

(1)

メタル

Cr

Mo

Pt

W

仕事関数（eV）

4.5

4.6

5.3

4.6

バリア高さ（eV）

0.57

0.61

0.81

0.61

(1) E. H. Rhoderickand R.H. Williams, “Metal-Semiconductor Contacts,” pp. 48-55, 2nd_{Edition, Oxford Science, Oxford, 1988.}

22

ショットキーバリアの低下

－表面での高ドーピングー

ドーピング密度

電界

バンド図

S

N

D

N

V

E

F

E

C

E

x

x

be



0

b   bn



W

a

m

E







N

a

N

W

a



q

E

aN

q

qE

D S s m S s s m b























4

4

ドーズ量：1012_～1013 _cm-2 △Φ_b：0.05～0.20eVの低下

23

N

-

_{ドリフト層}

_N

-

_{ドリフト層}

N

+

_基板

_N

+

_基板

_N

+

_基板

N

-

_{ドリフト層}

エッジ終端構造

メタル･オーバーラップ LOCOS _P+_{ガードリング} エッジ終端の電界緩和

0

1

2

3

4

5

1

10

100

1000

10000

電流密度

J

_F

（A/cm

2

）

順方向電圧

V

F

（

V

)

100(V)

200(V)

300(V)

500(V)

1000(V)

2000(V)

24

高電圧ｼｮｯﾄｷｰ･ﾊﾞﾘｱ･ﾀﾞｲｵｰﾄﾞ：GaAs

－ﾌﾞﾚｰｸ･ﾀﾞｳﾝ電圧の順方向特性への影響－

ブレーク･ダウン 電圧BVｐｐ 基板抵抗とコンタクト抵抗無視 Φ_bn=0.8eV, T=300K 3 2 ,

4

c s PP SP D

E

BV

R







V_F： SBD(GaAs) < PiN(Si) at 100～200A/cm2_{, BV} pp≦500V

0

1

2

3

4

5

1

10

100

1000

10000

電流密度

J

_F

（A/cm

2

）

順方向電圧

V

F

（V

)

200(V)

500(V)

1000(V)

2000(V)

5000(V)

25

高電圧ｼｮｯﾄｷｰ･ﾊﾞﾘｱ･ﾀﾞｲｵｰﾄﾞ：６H-SiC

－ﾌﾞﾚｰｸ･ﾀﾞｳﾝ電圧の順方向特性への影響ー

ブレーク･ダウン 電圧BVｐｐ Φbn=1.0eV, T=300K 基板抵抗とコンタクト抵抗無視 V_F： SBD(SiC) < PiN(Si) at 100～200A/cm2_{, BV} pp≦1000V

26

PiNダイオードの特性

• フォワード・リカバリー特性

– 電圧オーバーシュート（高di/dtのターンオン時に発生）

• 理由：ターンオン時から定常状態へ向けてN（i）領域の抵抗変化

ターンオン時高抵抗：N（i）領域への不充分な少数キャリア注入

定常時低抵抗：N（i）領域への充分な少数キャリア注入

• リバース・リカバリー特性

– 逆電流（ターンオフ時に発生）

• 理由：N（i）領域に蓄積された少数キャリアの除去

– 電圧オーバーシュート

• 理由：回路内インダクタンスを流れるリバース・リカバリーdi/dt

• N（i）領域の設計

– 必要な逆耐圧を確保後、N（i）領域の抵抗低減

27

フォワード・リカバリー特性

－PiNダイオード－

dt

di

ダイオード 電圧 ダイオード 電流 電圧オーバーシュート ⇒N( i）領域の抵抗率と厚さに依存 ターンオン

t

t

F

V

SS

I

電流上昇率 ＞ 少数キャリアの拡散

28

リバース・リカバリー特性

－PiNダイオード－

F

I

t

RP

I

RP

V

A

t

RP

I

25

.

0

B

t

R

V

ダイオード 電圧 ダイオード 電流 リバース・リカバリー

dt

di

F

V

t

ターンオフ

dt

di

P+_{N接合面でキャリア・ゼロ}

29

順方向電流（極低/低レベル注入）

－PiNダイオード－

• 極低レベルの注入

– 空乏層内の再結合電流

• 低レベルの注入

– 中性領域へ注入された少数キャリアの再結合電流

– 少数キャリア≪多数キャリア

















1

2

2kT qV SC D i F a

e

W

qn

J



















0 kT

1

qV P N P P a

e

L

P

qD

J

_

_

_















1

tanh

0 kT qV P P N P P a

e

L

W

L

P

qD

J

N領域の幅≫L_P（少数キャリア拡散長） _{N領域の幅≒LP}（少数キャリア拡散長）

30

低レベル注入のP-N接合

)

0

(

N

P

N

P

₀ P

L

P

J

n

J

電流密度

キャリア密度

P

+

_N

空乏層

31

順方向電流（高レベル注入）

－PiNダイオード－

• 高レベル注入

– 注入キャリア密度≫ドーピング密度（N型）

– n(x)=p(x)：N領域の電荷中性

– N領域の抵抗の大幅な低下 ⇒

伝導度変調

– N領域、アノードとカソード端での再結合電流

：平均キャリア密度

　

_a HL a d d HL

n

d

qn

dx

x

n

q

J

(

)

2

,











 

キャリア密度は、電流密度に比例して増大する。

⇒ キャリア密度の増大に比例して伝導率も増大する。

⇒

N領域の電圧降下は、電流密度に依存しない。

（アノードとカソード端での再結合無視）

32

PiNダイオードのキャリアと電位分布

－高レベル注入－

N P+ _N+

n=p

n

p

0

-d

+d

n(-d)

_n(+d)

n

p

N

_B

n

_oP+

p

oN+

キャ

リア密度

電位

V

_P+

V

_N+

V

_ｍ

V

_a

33

高レベル注入時の電流特性 １

• 連続の式

• 境界条件

– ① N

+

端（＋ｄ）：

ホール電流⇒ゼロ

、電子電流⇒ 全電流

– ② P

+

端（－ｄ） ：ホール電流⇒全電流、

電子電流⇒ ゼロ

：両極性拡散係数

　　

_a a HL

D

dx

n

d

D

n

dt

dn

,

0

₂ 2











d x p d x n

dx

dp

qD

J

dx

dn

qD

J

   































2

,

2

　②

①

高レベル注入：n=p

電流＝拡散電流＋ﾄﾞﾘﾌﾄ電流

34

高レベル注入時の電流特性 2

• キャリア密度

• 中間領域（N領域）の電圧降下（近似）

















a a HL a a a a a HL

D

L

L

d

L

x

L

d

L

x

qL

J

p

n



_





















_,

　

cosh

2

sinh

sinh

cosh

2

V

_m

は電流密度に依存しない。

⇒ キャリア密度は、電流密度に比例して増大するため。

2

for

8

3

,

2

for

2

2

_

_

_















a L d m a a m

L

d

e

q

kT

V

L

d

L

d

q

kT

V



a

1E-03 1E-02 1E-01 1E+00 1E+01 1E+02 0.1 1 10 中間領域の電圧降下 Vm (V) d/L_a 35

高レベル注入時の電圧降下

－PiNダイオード－

2 for 2 2         a a m L d L d q kT V 2 for 8 3   a L d m L d e q kT V



a

36

高レベル注入時の電流

－ｴﾝﾄﾞ領域での再結合がない場合（PiN）－

1.E-03

1.E-02

1.E-01

1.E+00

0.1

1

10

d/L

_a

関数

F

（

d/

L

a

）

F













kT qV a a a a kT qV a i a m a

e

L

d

L

d

L

d

L

d

F

e

L

d

F

d

n

qD

J

2 4 2

tanh

25

.

0

1

tanh

2

































　

d/L

_a

≒1の時Jが最大

37

順方向電圧降下V

_a

とd/L

_a

の関係

－PiNダイオード－

0.85

0.90

0.95

1.00

1.05

1.10

1.15

1.20

1.25

0.1

1

10

d/L

_a

順方向電圧降下V

a

（

V

)

Va(V)

J=280A/cm2 伝導度変調低下 ⇒中間領域抵抗の 電圧降下増大 高ｷｬﾘｱ注入 ⇒接合電圧降下増大 （端での再結合考慮なし） 端での再結合考慮

38

順方向電流まとめ

－PiNダイオード－

• 極端に低い電流密度（極低レベル注入）

– 空間電荷発生電流

• 低い電流密度（低レベル注入）

– 拡散電流

• 中程度の電流密度（高レベル注入）

– 両極性拡散（ｎ=p）

• 非常に高い電流密度

– ｴﾝﾄﾞ領域での再結合

– ｷｬﾘｱ-ｷｬﾘｱ散乱による拡散長の減少



qV

kT



J

_F



exp

_a

2





qV

kT



J

_F



exp

_a





qV

kT



J

_F



exp

_a

2



⇒指数関数からのずれ

39

PiNダイオード逆方向リーク電流

空間電荷発生電流 J

_SC

拡散電流 J

_DN

N（i）

空乏層 W

電界 E

P

+

拡散電流

J

_DP D p i p sc i A n i n DN SC DP L

N

L

n

qD

qWn

N

L

n

qD

J

J

J

J

2 2















40

PiNダイオード･リバース･リカバリー特性

F

J

キャリア

密度

)

( d

n



PR

J

0

t

t

₁

t

₂ A

t

t

_B rr

t

t

b

0

x

0

t

0



t

1

t

P

+

_{N（i）領域}



n

0

41

リバース・リカバリー特性解析：J

_PR

• J

_PR

の導出

• J

_PR

の低減

– 中間領域でのτ

_HL

を低下させると、 J

_PR

は低減する。

 

 





F n HL PR HL F n PR F n d x d x n F

J

bd

D

J

qd

J

n

b

n

qD

J

J

n

d

n

qD

b

b

n

d

n

dx

dn

dx

dn

qD

J





























       

　

　　　

　　

　

　　　

　　

　

2

,

2

2

,

2





































 HL a HL d d

d

qn

J

x

n

R

qRdx

J





2

)

(

,

　

　

42

•

ｔ

_ｒｒ

の導出

リバース・リカバリー特性解析：

ｔ

_ｒｒ

n PR F HL rr F n HL PR HL F S rr PR

D

bd

J

J

t

J

bd

D

J

J

d

qn

Q

t

J

2

2

,

2

2

1























　

　　

　　

_

ｔ

_ｒｒ

の低減

⇒ ①

_τ

_HL

を低減

、②

_J

_F

_に対しJ

_PR

を増大

43

リバース・リカバリー特性解析：

ｔ

_B

_/t

_A

• t

_A

の導出

• t

_B

とt

_B

/t

_A

の導出

PR F HL A HL F F HL A R A PR

J

J

d

b

t

qd

J

n

d

J

b

qbn

t

Q

t

J

2

2

,

4

2

1

)

(

2

1



















 

　

　　

　　

_













_













 







,

4

1

2

2

b

d

t

t

J

J

d

b

t

t

t

A B PR F HL A rr B



　　

ソフト・リカバリー

⇒ｔ

_B

領域のdi/dt：小⇒

ｔ

_B

/

ｔ

_A

：大⇒

d:大

、

ｂ

：小

44

ライフタイム制御

• ファースト・リカバリー

• ライフタイム低減の手法 （再結合中心の形成）

– 不純物導入：Au拡散、Pt拡散 – 注入：高エネルギー電子注入、プロトン注入、He注入

• 順方向電圧降下とリバース・リカバリー時間のトレードオフ改善

– 再結合中心の不均一分布導入 • Nベースの中央領域 かつ P-N接合から離れた領域に再結合中心を形成 – プロトンやHeにより、再結合中心分布の狭帯化 • Au、Pt拡散係数大（Si中）、電子注入⇒再結合中心の狭い分布は難しい。

• 再結合中心によるリーク電流の発生

– 再結合レベル位置がエネルギーギャップの中央近傍：リーク電流大 – リーク電流：Pt拡散＜電子注入＜Au拡散

• フォワード・リカバリー特性

– 再結合中心密度増加⇒フォワード・リカバリー特性の悪化（トレードオフの関係）

：既定

：大、

：小、

小

_{HL PR F} PR F HL rr

J

J

J

J

t



2



:





45

1.E-01

1.E+00

1.E+01

1.E+02

1.E+00

1.E+01

1.E+02

1.E+03

抵抗率（Ωcm）

ラ イ フ タ イ ム 比（ τ HL /τ LL ）

Au(T=300K)

Au(T=350K)

Pt(T=300K)

Pt(T=350K)

ER(T=300K)

ER(T=350K)

ライフタイム比の抵抗率依存性比較

－Au、Pt、電子照射（ER）－

Pt

Au

ER

Au（ERと比較）：τ

_HL

/τ

_LL

大 ⇒ V

_F

：低、ｽｲｯﾁﾝｸﾞ・ｽﾋﾟｰﾄﾞ：ｱｯﾌﾟ

46

ドーピングプロファイル

P

+

拡散

従来プロファイル

改良プロファイル

N

+

基板

N

_１

N

_２

ドーピング

階段接合 ⇒ リバース・リカバリーのスピードアップ ・空乏層広がりを抑制 ・伝導度変調あり ・蓄積電荷の急峻な除去なし ⇒ソフト・リカバリー ) cm 10 (mid  14 3

47

P

+

N

+

従来型オーミック・コンタクト

カソード

アノード

N

電子

正孔

電子

正孔

N

N

+

構造

バンド図

48

P

+

N

N+

P+

N+

P+

N+

改良オーミック・コンタクト

－P

+

とN

+

のモザイク構造－

N

P

+

N

+

電子

正孔

構造

バンド図

電子

_正孔

アノード カソード

49

改良オーミック・コンタクト

－ｼｮｯﾄｷｰ界面を持つ構造－

カソード

アノード

P

+

N

N

+

_N

+

_N

+

50

最大動作温度

• PiNダイオードでの消費電力

• 温度が低い場合

– 上式 第一項 ＞ 第二項 （I

_L

小による）

• 温度上昇と共にV_F低下 ⇒ P_D低下

• 温度が高い場合

– 上式 第一項 ＜ 第二項 （I

_L

大による）

• 温度上昇と共にI_L増加 ⇒ P_D増加（熱暴走）

• 動作最大温度

– PiNﾀﾞｲｵｰﾄﾞでの消費電力 vs. 温度の関係 ⇒ 最小値





T

t

T

V

I

T

t

V

I

P

_D



_{F F} on



_{L R}



on

51 N+_基板 N P+ N N N P+ P+ P+ P+ P+ P+ P+ N+_基板 N N N N

JBS

（Junction Barrier Controlled Schottky）

ダイオード

空乏層広がり （ポテンシャルバリア） ↓ ショットキー・バリア をシールド ↓ リーク電流低減 耐圧：ｱﾊﾞﾗﾝｼｪ破壊 （熱暴走なし） ↓ Φ_ｂｎ/ V_F低減 オン状態 ↓ P+_N接合 順方向バイアス無 カソード アノード カソード アノード 順方向 逆方向 電流通路 空乏層端

52

JBSダイオードの電流路（断面）

空乏層端

N

+

基板

j

x

W

m

d

2

s

2

t

2

s

P

+

_P

+

N

カソード

ストライプ形状

x

_ｊ

の横拡散85%

53

JBSの順方向特性

• ショットキー・バリアの電圧降下

• ドリフト領域の電圧降下

• JBSの順方向電圧降下











_：全

_電流

_セル面積

　　

_,

_JBS

_/

2

2

ln

ln

_{2 2} FC FC FS FC B FS B FS

J

J

d

s

m

J

AT

J

d

s

m

q

kT

AT

J

q

kT

V

















































FC j FD

J

d

s

m

d

s

m

s

m

t

x

V











 











2

ln

2



FD FS F

V

V

V





狭い接合ウィンドウ幅（ｓ） ⇒ 接合下のデッド・スペース活用 ⇒

低V

_F

54

JBS逆方向特性

• ショットキー・バリアによるリーク電流

• 空間電荷発生と拡散によるリーク電流







_j



_bi s D P bi P s D s B L

V

x

m

qN

V

V

V

qN

E

qE

kT

q

kT

q

AT

s

m

d

J





































































2 2

7

.

1

8

,

2

4

exp

exp

2









　

　　



_{R bi}



D s i D i LD

V

V

qN

W

W

qn

N

n

D

q

J















2

,

2

　

ショットキー・バリアに加わる逆電圧は、ピンチオフ電圧（V_P）で抑えられる。

55

MPS

（Merged PiN/Schottky）

ダイオード

アノード

カソード

P

+

_P

+

N

N

+

基板

蓄積電荷： MPS < PiNダイオード 空乏層広がり （ポテンシャルバリア） ↓ ショットキー・バリア をシールド （JBSと同じ） オン状態 ↓ P+_N接合 順方向バイアス ↓ 伝導度変調

56

MPSダイオード特性の特長

－リバース特性－

• リバース・リカバリー特性

– J

_PR

⇒ MPS ＜ PiN

• 理由：蓄積電荷：MPS＜PiN

• 効果：パワーロス低減、回路内トランジスタへのストレス低減

– di/dt ⇒ MPS ＜ PiN

• 理由：① J

_PR

小

② ﾌﾞﾛｯｷﾝｸﾞ・ｼﾞｬﾝｸｼｮﾝでの低ｷｬﾘｱ密度（MPS）

早い逆電圧の立上り ⇒ 多くの残留電荷（MPS）

• 効果：電圧スパイク対策に有効（ソフトリカバリー）

• リバース・ブロッキング特性

– 逆耐圧 ⇒ MPS ≒ PiN （ﾎﾟﾃﾝｼｬﾙ・ﾊﾞﾘｱによる）

– 高温リーク電流 ⇒ MPS > PiN（ｼｮｯﾄｷｰ領域のため）

• 対策：高いショットキー・バリア高さ（0.8V）の採用

57

パワーダイオードのトレンド

• VLSI用電源電圧の低下に対応

⇒ JBS（低い順方向電圧）

• パワートランジスタの高電圧、高周波化に対応

（高スピード、高電圧（100～600V）ダイオードの要求）

⇒ PiNダイオード

⇒ MPSダイオード（Si技術）

⇒ SiCのショットキーダイオード