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文 | 薛铮铮aa
编辑 | 薛铮铮aa
«——【·引言·】——»
自偏置沟道MOS二极管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，简称MOSFET）是一种在太阳能电池中广泛使用的电子元件。
它是由一对互补的PN结构组成的，其中沟道区域由 金属-氧化物-半导体 结构形成。
在太阳能电池中，MOSFET的主要作用是控制电流的流动。
沟道上的电压增加时，MOSFET的导电性也会增加，从而允许流过的电流增加，太阳能电池的功率输出也会增加。
沟道上的电压减小，MOSFET的导电性也会减小，从而减小允许流过的电流， 有助于保持太阳能电池的稳定性。
对于自偏置沟道MOSFET而言，其沟道区域的导电性是由其本身所提供的电场来实现的。这种电场的大小取决于MOSFET的栅-源电压和栅-汇电压之间的差值。
当这个差值大于一个特定的值时，MOSFET沟道上的电子开始流动，从而导致电流的流动。
自偏置沟道MOSFET是太阳能电池中的重要电子元件，可以控制电流的流动，从而实现太阳能电池的稳定性和高效能输出。
«——【·器件的结构和工作原理·】——»
器件的非体缩短配置NBS-SBCD和体缩短配置BS-SBCD，在正向电压方向下，即阳极端A相对于阴极端K接通正电压，同时向栅极施加正电压并与阳极相连。
栅极电压超过阈值电压，管道会立即形成在栅极下方； 这时候大量的电子经由nB区域和管道从区域流入，形成导电状态。
如果此时处于体缩短配置，那么还会施加了前向偏置。即衬底偏置电压到结J2上，增加了管道电流。
反向施加电压时，反向偏置结变为J2；此时大部分电压通过结J2出现，几乎没有电压施加在正向偏置结J1上。
因此，连接在J1中的MOS栅极体验几乎没有外加电压；所以不会形成管道，电流无法流动，器件处于非导电状态。
非体缩短配置中， 由于寄生双极效应的影响，反向方向的管道电流往往会增加。
相反在体缩短配置中，寄生双极效应较小，从而减少了反向泄漏电流，带来更好的损耗和更高的电压容忍度。
«——【·测量和模拟结果·】——»
一、正向电流
非栅极域结构和铬-肖特基二极管Cr-SBD的原型件，以及栅极短接结构模拟结果所观测到的正向特性。
当操作温度为75°C时，在三个器件中均呈现出近似相同的有源区域。使用SILVACO设备模拟器对栅极短接结构进行了模拟。
相比于无栅极短接器件，如果将一个电流设置为1A的条件，模拟结果显示这个栅极短接器件的 导通电压减少了约55% 。
而在等温度下，给器件施加0.25V电压，非栅极短接和栅极短接构型的电流分布。结果表明，通道电流在SBCD结构中占主导地位。
在栅极短接结构中，p基区处于正电位，因而由衬底偏置效应产生的通道电流增加。
为了阐明栅极短接结构低导通电压操作的机理，我们比较了应用电压为0.25V。
非栅极短接和栅极短接构型，在Y-Y'轴方向上势能分布，和在X-X'轴方向上通道区域电子电流密度分布的模拟结果。
栅极短接器件的p基区域内，一个粗略为0.25V应用电压一半的衬底偏置电压出现。
可以看到， 相比于无栅极短接器件，栅极短接结构中通道区域的电子电流密度大约是其1.8倍。 这证明由衬底偏置效应引起的增强通道电流会导致导通电压的降低。
二、反向特性
在75°C的工作温度中，不同器件的反向特性测试结果是：Cr-SBD器件显示出最小的泄漏电流；其次是体短接器件，泄漏电流约比Cr-SBD器件大一个数量级。
非体短接器件展现出最大的泄漏电流，说明相较于非体短接构型，体短接构型成功地降低了泄漏电流。
施加-5 V电压时非体短接和体短接器件的电流流线分布结果表明，在两种器件中，沟道电流成分占了大部分电流。
而对于体短接构型，可以从另一个由通过体短接区域的空穴携带的电流成分。
为了阐明体短接构型降低泄漏电流的效果，比较了在施加-5 V电压下非体短接和体短接结构的模拟结果，包括（a）Y-Y'轴上的电位分布和（b）X-X'轴上通道区域中电子电流密度的分布。
非体短接结构存在寄生双极结构，这是造成其泄漏电流增加的原因。
反向偏置时，在耗尽层产生的空穴会流入p基区，并在那里积累，使得该区域电势上升，并由于衬底偏置效应导致泄漏电流增加。
«——【·导通电压和反向漏电流的温度依赖性·】——»
Cr-SBD器件的导通电压随温度升高而降低的速率特别大。这是因为在高温下电子电流超过肖特基势垒的增加。
非体短路和体短路器件，反型层中的电子密度随着温度的升高逐渐上升，但反向层中的载流子迁移率也随着温度升高而降低。
这样一来，随着温度的升高，通道电流增加的速率要小于Cr-SBD器件。在p基的衬底偏置效应下，体短路结构的导通电压比非体短路结构低。
各种器件漏电流依赖于温度变化，钨铬肖特基势垒二极管(Cr-SBD)在室温和175摄氏度之间会出现四个数量级的漏电流增加，而非体短路和体短路结构的漏电流增加要小得多，仅约为一个数量级。
但与体短路器件相比，非体短路器件具有这样的性质：在反向偏置下产生的空穴会积累在p型本体区域中，并产生衬底偏压，由此增加了漏电流。
每个器件反向电压耐受性随温度变化的依赖关系。
钨铬肖特基势垒二极管结构的耐受性，会随温度升高而急剧恶化，而SBCD结构对温度变化稳定。
对于被体短结构所抑制的寄生双极晶体管结构，体短路结构的改善比非体短路结构更大。
恒定状态下电功率损耗，随温度变化而变化，根据这种情况，我们根据测量数据计算出了电功率损耗，假设正向/反向占空比为1:1。
假设在正向方向上流动1A电流，同时在反向方向上施加-5V的电压。为了比较，这里显示钨铬肖特基势垒二极管的测量值。
体短路结构的电功率损耗比钨铬肖特基势垒二极管结构低， 随着温度升高到125摄氏度或以上，钨铬肖特基势垒二极管结构的电功率损耗急剧增加。
肖特基二极管中电功率损耗的增加，源于随温度升高而伴随的反向漏电流增加，表明随着温度升高，存在热失控的趋势。
制造的非体短路结构的高电功率损耗，归因于原型制造阶段的栅氧膜，比体短路器件模拟中假设的更厚。
这会增加MOS阈值电压，导致在反向偏置下出现衬底偏压而增加漏电流。
使用设备模拟器的分析表明，通过使栅氧膜变薄可以降低功率损耗。
因此，在SBCD结构中电功率损耗，随温度升高的速率较低，表明有望实现热稳定运行。
«——【·光伏电池旁路二极管的电性状况·】——»
电路由两个光伏电池串联连接组成，每个太阳能电池并联连接有一个旁路二极管。
这里使用三种旁路二极管结构进行了仿真，分别为NBS-SBCD、BS-SBCD和Cr-SBD结构，并比较了它们的电学特性。
照明模式如下：太阳能1被恒定光源照亮，而太阳能2则被脉冲光源照亮。 将不照明间隔解释为对光伏电池产生影响的阴影区域。
在25°C工作温度中，当太阳能2的照明从开启到关闭时，流过旁路二极管2的电流随时间的变化。对于所提出的器件而言，旁路侧的电流大于Cr-SBD器件。
集中关注电流上升，Cr-SBD器件所需的电流上升时间最短，而所提出的器件需要更长的时间进入稳态。这一观察归因于，器件中MOS结构区域，和双扩散区域存在寄生电容，导致电流上升所需时间增加。
外部负载在从关闭状态，到稳定通电状态的转换过程中的电流，与温度的依赖关系。这些结果表明，在高温环境下，使用所提出的器件，旁路侧仍然可以产生相当高的电流。
将在高温下负载电流变差归因于我们所提出的器件反向漏电流增加。
当被遮挡的太阳能电池处于稳态时，负载电流随着温度的变化而产生的相关性。
«——【·结论·】——»
这两种用作太阳能电池，旁路二极管的SBCD结构，经过比较发现，这些设备有一个显著特点。
在体短结构下正向工作时，会产生增强通道电流的衬底偏置电压，从而允许比非体-短结构更低的开启电压。
反向操作中，体短结构可以抑制寄生双极型晶体管结构，减少在非体-短结构中产生的衬底偏置效应的可能性；这确保了更低的反向漏电流和更高的电压承受能力。
而且泄漏电流随着温度升高而增加的速率很慢，确保电源损失随着温度升高，而极其缓慢地增加，减少了SBD中观察到的热失控现象的可能性，因此提高了器件的可靠性。
对于这两种器件来说，在阻断细胞照明的稳态运行期间， 旁路侧的电流为1 A，接近太阳能电池所需的值。
相比之下，Cr-SBD器件的电流流量仅约为0.56 A。这一观察归因于器件在更低的开启电压下运行，从而产生更高的电流。
关于热特性，器件即使在高温下旁路电流流动的性能也优于Cr-SBD器件。在未来的工作中，希望实现设备性能的进一步改善。
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