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文 | 薛錚錚aa
編輯 | 薛錚錚aa
«——【·前言·】——»
自偏置溝道MOS二極體（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，簡稱MOSFET）是一種在太陽能電池中廣泛使用的電子元件。
它是由一對互補的PN結構組成的，其中溝道區域由金屬-氧化物-半導體結構形成。
在太陽能電池中，MOSFET的主要作用是控制電流的流動。
溝道上的電壓增加時，MOSFET的導電性也會增加，從而允許流過的電流增加，太陽能電池的功率輸出也會增加。
溝道上的電壓減小，MOSFET的導電性也會減小，從而減小允許流過的電流，有助於保持太陽能電池的穩定性。
對於自偏置溝道MOSFET而言，其溝道區域的導電性是由其本身所提供的電場來實現的。這種電場的大小取決於MOSFET的柵-源電壓和柵-匯電壓之間的差值。
當這個差值大於一個特定的值時，MOSFET溝道上的電子開始流動，從而導致電流的流動。
自偏置溝道MOSFET是太陽能電池中的重要電子元件，可以控制電流的流動，從而實現太陽能電池的穩定性和高效能輸出。
«——【·器件的結構和工作原理·】——»
器件的非體縮短配置NBS-SBCD和體縮短配置BS-SBCD，在正向電壓方向下，即陽極端A相對於陰極端K接通正電壓，同時向柵極施加正電壓並與陽極相連。
柵極電壓超過閾值電壓，管道會立即形成在柵極下方；這時候大量的電子經由nB區域和管道從區域流入，形成導電狀態。
如果此時處於體縮短配置，那麼還會施加了前向偏置。即襯底偏置電壓到結J2上，增加了管道電流。
反向施加電壓時，反向偏置結變為J2；此時大部分電壓通過結J2出現，幾乎沒有電壓施加在正向偏置結J1上。
因此，連接在J1中的MOS柵極體驗幾乎沒有外加電壓；所以不會形成管道，電流無法流動，器件處於非導電狀態。
非體縮短配置中，由於寄生雙極效應的影響，反向方向的管道電流往往會增加。
相反在體縮短配置中，寄生雙極效應較小，從而減少了反向泄漏電流，帶來更好的損耗和更高的電壓容忍度。
«——【·測量和模擬結果·】——»
一、正向電流
非柵極域結構和鉻-肖特基二極體Cr-SBD的原型件，以及柵極短接結構模擬結果所觀測到的正向特性。
當操作溫度為75°C時，在三個器件中均呈現出近似相同的有源區域。使用SILVACO設備模擬器對柵極短接結構進行了模擬。
相比於無柵極短接器件，如果將一個電流設置為1A的條件，模擬結果顯示這個柵極短接器件的導通電壓減少了約55%。
而在等溫度下，給器件施加0.25V電壓，非柵極短接和柵極短接構型的電流分布。結果表明，通道電流在SBCD結構中占主導地位。
在柵極短接結構中，p基區處於正電位，因而由襯底偏置效應產生的通道電流增加。
為了闡明柵極短接結構低導通電壓操作的機理，我們比較了應用電壓為0.25V。
非柵極短接和柵極短接構型，在Y-Y'軸方向上勢能分布，和在X-X'軸方向上通道區域電子電流密度分布的模擬結果。
柵極短接器件的p基區域內，一個粗略為0.25V應用電壓一半的襯底偏置電壓出現。
可以看到，相比於無柵極短接器件，柵極短接結構中通道區域的電子電流密度大約是其1.8倍。這證明由襯底偏置效應引起的增強通道電流會導致導通電壓的降低。
二、反向特性
在75°C的工作溫度中，不同器件的反向特性測試結果是：Cr-SBD器件顯示出最小的泄漏電流；其次是體短接器件，泄漏電流約比Cr-SBD器件大一個數量級。
非體短接器件展現出最大的泄漏電流，說明相較於非體短接構型，體短接構型成功地降低了泄漏電流。
施加-5 V電壓時非體短接和體短接器件的電流流線分布結果表明，在兩種器件中，溝道電流成分占了大部分電流。
而對於體短接構型，可以從另一個由通過體短接區域的空穴攜帶的電流成分。
為了闡明體短接構型降低泄漏電流的效果，比較了在施加-5 V電壓下非體短接和體短接結構的模擬結果，包括（a）Y-Y'軸上的電位分布和（b）X-X'軸上通道區域中電子電流密度的分布。
非體短接結構存在寄生雙極結構，這是造成其泄漏電流增加的原因。
反向偏置時，在耗盡層產生的空穴會流入p基區，並在那裡積累，使得該區域電勢上升，並由於襯底偏置效應導致泄漏電流增加。
«——【·導通電壓和反向漏電流的溫度依賴性·】——»
Cr-SBD器件的導通電壓隨溫度升高而降低的速率特別大。這是因為在高溫下電子電流超過肖特基勢壘的增加。
非體短路和體短路器件，反型層中的電子密度隨著溫度的升高逐漸上升，但反向層中的載流子遷移率也隨著溫度升高而降低。
這樣一來，隨著溫度的升高，通道電流增加的速率要小於Cr-SBD器件。在p基的襯底偏置效應下，體短路結構的導通電壓比非體短路結構低。
各種器件漏電流依賴於溫度變化，鎢鉻肖特基勢壘二極體(Cr-SBD)在室溫和175攝氏度之間會出現四個數量級的漏電流增加，而非體短路和體短路結構的漏電流增加要小得多，僅約為一個數量級。
但與體短路器件相比，非體短路器件具有這樣的性質：在反向偏置下產生的空穴會積累在p型本體區域中，並產生襯底偏壓，由此增加了漏電流。
每個器件反向電壓耐受性隨溫度變化的依賴關係。
鎢鉻肖特基勢壘二極體結構的耐受性，會隨溫度升高而急劇惡化，而SBCD結構對溫度變化穩定。
對於被體短結構所抑制的寄生雙極電晶體結構，體短路結構的改善比非體短路結構更大。
恆定狀態下電功率損耗，隨溫度變化而變化，根據這種情況，我們根據測量數據計算出了電功率損耗，假設正向/反向占空比為1:1。
假設在正向方向上流動1A電流，同時在反向方向上施加-5V的電壓。為了比較，這裡顯示鎢鉻肖特基勢壘二極體的測量值。
體短路結構的電功率損耗比鎢鉻肖特基勢壘二極體結構低，隨著溫度升高到125攝氏度或以上，鎢鉻肖特基勢壘二極體結構的電功率損耗急劇增加。
肖特基二極體中電功率損耗的增加，源於隨溫度升高而伴隨的反向漏電流增加，表明隨著溫度升高，存在熱失控的趨勢。
製造的非體短路結構的高電功率損耗，歸因於原型製造階段的柵氧膜，比體短路器件模擬中假設的更厚。
這會增加MOS閾值電壓，導致在反向偏置下出現襯底偏壓而增加漏電流。
使用設備模擬器的分析表明，通過使柵氧膜變薄可以降低功率損耗。
因此，在SBCD結構中電功率損耗，隨溫度升高的速率較低，表明有望實現熱穩定運行。
«——【·光伏電池旁路二極體的電性狀況·】——»
電路由兩個光伏電池串聯連接組成，每個太陽能電池並聯連接有一個旁路二極體。
這裡使用三種旁路二極體結構進行了仿真，分別為NBS-SBCD、BS-SBCD和Cr-SBD結構，並比較了它們的電學特性。
照明模式如下：太陽能1被恆定光源照亮，而太陽能2則被脈衝光源照亮。將不照明間隔解釋為對光伏電池產生影響的陰影區域。
在25°C工作溫度中，當太陽能2的照明從開啟到關閉時，流過旁路二極體2的電流隨時間的變化。對於所提出的器件而言，旁路側的電流大於Cr-SBD器件。
集中關注電流上升，Cr-SBD器件所需的電流上升時間最短，而所提出的器件需要更長的時間進入穩態。這一觀察歸因於，器件中MOS結構區域，和雙擴散區域存在寄生電容，導致電流上升所需時間增加。
外部負載在從關閉狀態，到穩定通電狀態的轉換過程中的電流，與溫度的依賴關係。這些結果表明，在高溫環境下，使用所提出的器件，旁路側仍然可以產生相當高的電流。
將在高溫下負載電流變差歸因於我們所提出的器件反向漏電流增加。
當被遮擋的太陽能電池處於穩態時，負載電流隨著溫度的變化而產生的相關性。
«——【·結語·】——»
這兩種用作太陽能電池，旁路二極體的SBCD結構，經過比較發現，這些設備有一個顯著特點。
在體短結構下正向工作時，會產生增強通道電流的襯底偏置電壓，從而允許比非體-短結構更低的開啟電壓。
反向操作中，體短結構可以抑制寄生雙極型電晶體結構，減少在非體-短結構中產生的襯底偏置效應的可能性；這確保了更低的反向漏電流和更高的電壓承受能力。
而且泄漏電流隨著溫度升高而增加的速率很慢，確保電源損失隨著溫度升高，而極其緩慢地增加，減少了SBD中觀察到的熱失控現象的可能性，因此提高了器件的可靠性。
對於這兩種器件來說，在阻斷細胞照明的穩態運行期間，旁路側的電流為1 A，接近太陽能電池所需的值。
相比之下，Cr-SBD器件的電流流量僅約為0.56 A。這一觀察歸因於器件在更低的開啟電壓下運行，從而產生更高的電流。
關於熱特性，器件即使在高溫下旁路電流流動的性能也優於Cr-SBD器件。在未來的工作中，希望實現設備性能的進一步改善。
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