客观日本

全球首次!日本开发出具有高电流放大率及低导通电阻的硅SJ-BJT功率器件

2020年09月09日 电子电气

新日本无线公司与山梨大学研究生院综合研究部的矢野浩司教授合作,成功开发出了集电极区采用超结(SJ)结构的硅双极晶体管(以下称SJ-BJT)。利用该技术有望进一步实现电流开关器的小型化和低损耗化,可以为将来实现节能社会和低碳社会做贡献。

开发背景

采用功率半导体器件的电流开关装置(固态继电器,以下称SSR)广泛应用于家电产品和工业设备等领域。今后,要想推进SSR的小型化和节能化,必须降低功率半导体的损耗,尤其是导通状态下的电阻(导通电阻)。SSR目前主要使用的晶闸管、三端双向可控硅开关元件和MOS场效应晶体管(MOSFET)等功率半导体器件的性能逐渐接近极限,需要开发新型低损耗功率半导体器件。

开发成果

研究团队采用常规超结MOSFET(SJ-MOSFET)使用的超结技术,全球首次制作出了SJ-BJT(图1),在保持高耐压的同时,实现了低导通电阻和高电流放大率。

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图1:安装在TO-247上的SJ-BJT

图2是此次开发的SJ-BJT截面结构。如该图所示,超结技术为周期性交替配置n型半导体区域和p型半导体结构,能同时实现功率半导体的高耐压和低导通电阻。该技术此前主要用于SJ-MOSFET,降低了SJ-MOSFET的导通电阻。此次,通过将该技术用于硅双极晶体管,并结合超结结构和空穴注入效应,在实现高耐压的同时,降低了导通电阻,提高了电流放大率。

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图2:SJ-BJT的截面结构

在SJ-BJT的工作中,不仅是常规的超结结构的工作,如图3所示,还会在导通状态下经由超结的p型区域从基极向超结的n型区域有效注入空穴(图中红线),这是SJ-BJT的一大特点。该效应会引起促进电子电流(图中蓝线)的电导率调制现象,可以在降低导通电阻的同时,提高电流放大率。另外,以往的IGBT、晶闸管和三端双向可控硅开关元件采用通过集电极侧(或者阳极侧)的p型区域注入空穴的结构,因此要想导通元件,至少需要0.7V以上的导通电压,而SJ-BJT通过基极注入空穴,因此能以低集电极电压导通,原理上可以降低导通电阻。

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图3:SJ-BJT的工作原理

表1:此次开发的硅SJ-BJT在室温下的代表性特性

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论文信息
题目:First Demonstration of Si Superjunction BJT with Ultra-High Current Gain and Low ON-resistance
期刊:IEEE Xplore
DOI:10.1109/ISPSD46842.2020.9170099

日语发布原文

文:JST客观日本编辑部

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