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日本開发高電流放大率及低導通電阻的矽SJ-BJT功率器件
日本開发高電流放大率及低導通電阻的矽SJ-BJT功率器件
全球首次!
新日本無線公司與山梨大學研究生院綜合研究部的矢野浩司教授合作,成功開發出了集電極區採用超結(SJ)結構的矽雙極晶體管(以下稱SJ-BJT)。利用該技術有望進一步實現電流開關器的小型化和低損耗化,可以為將來實現節能社會和低碳社會做貢獻。
  • 详细介绍
新日本無線公司與山梨大學研究生院綜合研究部的矢野浩司教授合作,成功開發出了集電極區採用超結(SJ)結構的矽雙極晶體管(以下稱SJ-BJT)。利用該技術有望進一步實現電流開關器的小型化和低損耗化,可以為將來實現節能社會和低碳社會做貢獻。

開發背景

採用功率半導體器件的電流開關裝置(固態繼電器,以下稱SSR)廣泛應用於家電產品和工業設備等領域。今後,要想推進SSR的小型化和節能化,必須降低功率半導體的損耗,尤其是導通狀態下的電阻(導通電阻)。SSR目前主要使用的晶閘管、三端雙向可控矽開關元件和MOS場效應晶體管(MOSFET)等功率半導體器件的性能逐漸接近極限,需要開發新型低損耗功率半導體器件。

開發成果

研究團隊採用常規超結MOSFET(SJ-MOSFET)使用的超結技術,全球首次製作出了SJ-BJT(圖1),在保持高耐壓的同時,實現了低導通電阻和高電流放大率。

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圖1:安裝在TO-247上的SJ-BJT

圖2是此次開發的SJ-BJT截面結構。如該圖所示,超結技術為周期性交替配置n型半導體區域和p型半導體結構,能同時實現功率半導體的高耐壓和低導通電阻。該技術此前主要用於SJ-MOSFET,降低了SJ-MOSFET的導通電阻。此次,通過將該技術用於矽雙極晶體管,並結合超結結構和空穴注入效應,在實現高耐壓的同時,降低了導通電阻,提高了電流放大率。

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圖2:SJ-BJT的截面結構

在SJ-BJT的工作中,不僅是常規的超結結構的工作,如圖3所示,還會在導通狀態下經由超結的p型區域從基極向超結的n型區域有效注入空穴(圖中紅線),這是SJ-BJT的一大特點。該效應會引起促進電子電流(圖中藍線)的電導率調製現象,可以在降低導通電阻的同時,提高電流放大率。另外,以往的IGBT、晶閘管和三端雙向可控矽開關元件採用通過集電極側(或者陽極側)的p型區域注入空穴的結構,因此要想導通元件,至少需要0.7V以上的導通電壓,而SJ-BJT通過基極注入空穴,因此能以低集電極電壓導通,原理上可以降低導通電阻。

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圖3:SJ-BJT的工作原理

表1:此次開發的矽SJ-BJT在室溫下的代表性特性

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論文信息
題目:First Demonstration of Si Superjunction BJT with Ultra-High Current Gain and Low ON-resistance

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