現(xiàn)代快恢復(fù)二極管設(shè)計方法的研究

孫鵬飛，胡欽高，鄧 鋒，李寧家

（沈陽工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870）

目前由于普通快恢復(fù)二極管動態(tài)特性較差，以及雪崩擊穿導(dǎo)致的過熱效應(yīng)，當器件高頻工作時，可靠性與使用壽命就會降低或者根本達不到新型電力電子器件的要求，所以需要克服普通二極管的缺陷，對PIN二極管進行改進，優(yōu)化其動態(tài)特性，從而實現(xiàn)保證反向擊穿電壓的前提下，降低反向恢復(fù)時間，較少反向恢復(fù)峰值電流，從而提高器件的關(guān)斷速度。

1 快恢復(fù)二極管兩極的設(shè)計

對于快恢復(fù)PIN二極管來講，其與普通PIN二極管的區(qū)別在于普通二極管主要是依賴其靜態(tài)特性即低壓降對于pin二極管其陽極濃度要大于陰極濃度，這一點對于快恢復(fù)二極管卻不適應(yīng)，快恢復(fù)二極管主要是考慮其動態(tài)特性，即反向恢復(fù)過程，而對于快恢復(fù)二極管如果pin二極管陰極濃度比陽極濃度低的情況下很有可能發(fā)生這種情況：當陰極的等離子已被完全耗盡時，而n-區(qū)域中還有大量的剩余載流子，結(jié)果會在陰極發(fā)射極形成耗盡層和電場，即陰極耗盡層在陽極發(fā)射極耗盡之前就已經(jīng)形成，那么隨后兩個空間電荷區(qū)相互接近對方，消耗n-區(qū)域剩余的載流子載流子，當兩個耗盡層相遇時，此時n-區(qū)域剩余的載流子將被消耗完，電流瞬間變?yōu)榱?。這個過程中會產(chǎn)生一個很高的電流變化率di/dt，那么其將在電感Li中產(chǎn)生很大的電壓如式（1）：

這個電壓足以燒壞半導(dǎo)體器件和電路中其他器件。

所以對于現(xiàn)代快恢復(fù)二極管來說，陽極的濃度要低于陰極在第三章提到兩極的濃度要大于1019cm-3，這樣既可以避免上述的瞬變過程發(fā)生，還可以使器件具有良好地歐姆接觸，可以改善PIN二極管的正向特性。

為了PN結(jié)的平坦，為了電壓一致性好，且容易控制，選取 Δρ/ρ叫小的單晶是必要的，Δρ/ρ需控制在 10%以內(nèi)，即盡量采用截面電阻率均勻的硅單晶，使空間電荷區(qū)均勻，結(jié)電容小，關(guān)斷時不至于產(chǎn)生過大的反向恢復(fù)峰值電流，即過大的能量損耗；而中子嬗變摻雜工藝僅限于摻磷，即僅適用于N型硅，這也是選取N型硅的道理之一。由于μn比μp大得多，（一般比μn≈3μp），和P型半導(dǎo)體硅材料相比，N型半導(dǎo)體硅材料制成器件的高溫特性等要好得多，因此大量采用的均是N型硅半導(dǎo)體材料，這在中子嬗變技術(shù)成功用于生產(chǎn)硅單晶后，N型硅單晶材料的應(yīng)用就廣泛了。

根據(jù)電阻率與濃度的關(guān)系中可知：當N型材料ND<1×1015cm-3，其關(guān)系如式（2）：

當 ND>1×1015cm-3，公式（2） 變成（3）的形式：

根據(jù)基區(qū)最大摻雜濃度與雪崩擊穿電壓Vbr（單位為V）的近似公式：

這樣就可以根據(jù)廠家所要求的電壓，來算出襯底摻雜的濃度，進一步得出電阻率的值。

由于二極管的雪崩能力主要由電場強度E所決定，E越大，雪崩能力越強。

可知，選取低電阻率的硅單晶，可以獲得較高的雪崩能力，即可制造高壓二極管，而且低電阻率還可以降低了反向恢復(fù)峰值電流，提高其動態(tài)特性。

對于PIN結(jié)構(gòu)即p+n-n+結(jié)構(gòu)通常采用穿通結(jié)構(gòu)，由于非穿通結(jié)構(gòu)基區(qū)寬度較寬WN≈1.1Xm，導(dǎo)致正向壓降增大，功耗增加，不利于制作大功率器件。而穿通結(jié)構(gòu)I區(qū)的寬度Wi小于雪崩擊穿的空間電荷區(qū)在該區(qū)的展寬Xm，空間電荷區(qū)展寬為：

當對器件的擊穿電壓VPT要求一定時，有一個最小的Wim，對應(yīng)一個最佳的基區(qū)電阻率ρn0。即：

但是對于穿通結(jié)構(gòu)的PIN二極管還存在這樣一個問題：就是在二極管關(guān)斷的時候，當在p+n-結(jié)上形成耗盡層以后，耗盡層不斷地向n-區(qū)域擴張，將剩余的載流子復(fù)合掉。問題發(fā)生了：空間電荷區(qū)在電流降為零之前到達了n+發(fā)射極，由于n+區(qū)域是高摻雜濃度，空間電荷區(qū)的剩余載流子無法穿越n+區(qū)，也就沒有剩余的載流子來產(chǎn)生電流，因此電流會瞬時下降造成瞬變。

所以對于基區(qū)n-的寬度應(yīng)做的寬一點，但是寬度的增加，勢必會導(dǎo)致器件的功耗增加。所以通過基區(qū)寬度的變化來實現(xiàn)這一點是不可取的，那么就通過改變基區(qū)濃度來實現(xiàn)，采用較低的電阻率、以及采用穿通+緩沖層的結(jié)構(gòu)。緩沖層的存在，不僅可以縮短基區(qū)，而且減小反向恢復(fù)峰值電流，減小器件的能量損耗。

為了使二極管反向恢復(fù)速度加快，控制基區(qū)少數(shù)載流子壽命是必須的；我們可以在工藝上通過非均勻的縱向載流子分布法來提高軟度因子，在陽極附近的載流子壽命較小，這樣可以獲得較小的等離子濃度。中間區(qū)域較高的載流子壽命用來形成一個向陰極逐漸增加的等離子濃度。用該方法，可同時獲得低瞬變發(fā)生幾率與合理的通態(tài)壓降。

2 仿真驗證

設(shè)計一個采用P+N-N+結(jié)構(gòu)的1 000 V，電阻率在20 Ω·cm，空間電荷區(qū)展寬在81 μm；橫坐標為片厚 d/μm，縱坐標為各部分的雜質(zhì)濃度；片厚d=200 μm，兩極為重摻雜，P+濃度為2×1019cm-3、N+濃度為 2×1020cm-3、 基區(qū) N-的濃度為 2×1014cm-3；P+寬度為 60 μm，N-寬度為 80 μm，N+厚度為 60 μm。 如圖1所示。

圖1 p+n-n+結(jié)構(gòu)摻雜濃度曲線Fig.1 Doping concentration curve of p+n-n+-diode

本實驗做了反向峰值電流隨不同正向電流密度的變化曲線；如圖2所示。

圖2 反向恢復(fù)電流隨正向電流密度變化的曲線Fig.2 Change of reverse recovery current with forward current density variation

曲線1代表正向電流密度為120 A/cm2、曲線2代表正向電流密度為110 A/cm2、曲線3代表正向電流密度為100 A/cm2、曲線4代表正向電流密度為 90 A/cm2、曲線 5代表正向電流密度為80 A/cm2；所以曲線1到5是表示反向電流隨正向電流密度逐漸下降的曲線圖。

通過圖2可以發(fā)現(xiàn)，這兩種分析所得到的結(jié)論基本一致，PIN二極管正向電流密度越小，反向恢復(fù)過程中的峰值電流就越小，所用的反向恢復(fù)電荷就越少。

從某種意義上說，反向恢復(fù)電荷Qrr在數(shù)學(xué)上定義為Irr在反向恢復(fù)時間trr內(nèi)的積分，反向恢復(fù)時間trr定義為穿過反向恢復(fù)峰值電流I˙rrm和0.25Irrm的一條直線與時間軸的交點。那么從t1-t5時間段電流曲線與時間軸圍成的面積即為反向恢復(fù)電荷Qrr；從而可以得到式（9）：

從圖2可以看出正向電流密度越小，反向恢復(fù)峰值電流就越小，反向恢復(fù)時間就越小，器件的關(guān)斷速度越快，關(guān)斷時所消耗的能量就越小。

正向電流的大小與p+n-結(jié)處載流子的濃度有關(guān)系，如式（10）

從式（10）中可以看出載流子的濃度p（x）與pin二極管的正向電流密度jpin近似成正比。那么就進一步說明要想使反向恢復(fù)時間減小，我們就的使反向恢復(fù)峰值電流減小，反向峰值電流的減小，可以通過減小正向電流密度來實現(xiàn)，而正向電流密度減小，使p+n-處載流子的濃度降低，這就需要陽極像基區(qū)注入載流子濃度就要減小，也就是說陽極的注入效率要小，所以反向推出對于陽極濃度選取就得采用低陽極濃度技術(shù)，是陽極注入到基區(qū)的載流子濃度要低；那么在反向恢復(fù)過程中，即便有高的電流變化率di/dt，它所產(chǎn)生的反向恢復(fù)電流峰值也不會太高，進而使反向恢復(fù)電荷減小，提高了二極管的關(guān)斷速度。

實質(zhì)上，整個反向恢復(fù)過程就是I區(qū)中抽取盒復(fù)合掉的電荷總量Qrr，那么，I區(qū)的電流方程可以表示為：

τ為載流子壽命，If為導(dǎo)通時的正向電流。從（12）式可以看出載流子壽命τ越小，反向恢復(fù)過程越快，所花費的反向恢復(fù)時間越小。所以我們要盡量減少τ的值，就是說少子壽命是限制反向恢復(fù)時間縮短的一個重要因素。

所以為了使二極管的反向恢復(fù)速度加快，降低基區(qū)的少數(shù)載流子壽命是必須的，下面就是驗證通過不同的少子壽命看反向恢復(fù)電流的變化如圖3所示。

圖3 反向恢復(fù)電流隨少子壽命的變化Fig.3 Change of reverse recovery current with the minority carrier lifetime

圖 3 所驗證的是在少子壽命分別取 2 μs、1 μs、0.5 μs、0.1 μs是反向電流的變化，從圖中，不難看出隨著少數(shù)載流子壽命的降低，反向恢復(fù)電流峰值也相繼減小，反向回復(fù)時間也減小，與之前理論分析一致。

對于加入緩沖層的二極管采用P+N-NN+結(jié)構(gòu)，橫坐標為片厚 d/μm，縱坐標為各部分的雜質(zhì)濃度；片厚 d=200 μm，兩極為重摻雜，P+濃度為 2×1019cm-3、N+濃度為 2×1020cm-3、基區(qū)N-的濃度為 2×1014cm-3、N 區(qū)緩沖層的濃度 3×1016cm-3為 P+寬度為 60 μm，N-寬度為 60 μm， 緩沖層 N 厚度為 20 μm，N+厚度為60 μm。如圖4所示。

帶緩沖層結(jié)構(gòu)的二極管反向恢復(fù)軟度大大增加。由于緩沖層的雜質(zhì)濃度高于襯底的濃度，在反向恢復(fù)過程中使得耗盡區(qū)到達緩沖層后擴展明顯減慢。這樣，經(jīng)過少數(shù)載流子存儲時間之后，在緩沖層中還有大量的載流子未被復(fù)合或抽走，使得復(fù)合時間相應(yīng)增加，從而提高了二極管的軟度。

圖4 加緩沖層的p+n-nn+結(jié)構(gòu)的摻雜濃度曲線Fig.4 Doping concentration curve of p+n-nn+-diode with the buffer layer

不同溫度下pin結(jié)構(gòu)二極管與p+n-nn+結(jié)構(gòu)的電流電壓曲線。

圖5 常溫與高溫下pin二極管的正向電流電壓曲線Fig.5 Forward current-voltage curve for normal and high temperatures of pin-diode

圖6 常溫與高溫下加入緩沖層的p+n-nn+結(jié)構(gòu)正向電流電壓曲線Fig.6 Forward current-voltage curve for normal and high temperatures of the p+n-nn+diode

緩沖層結(jié)構(gòu)的引入極大的減小了基區(qū)的厚度，從圖4中可以看出，由于緩沖層結(jié)構(gòu)的引入，使N-區(qū)域的厚度明顯減小，而N區(qū)域得濃度比N-區(qū)域濃度要高2個數(shù)量級，那么其電阻率也就比原來N-區(qū)域的電阻率小一個數(shù)量級；從而使正向?qū)▔航得黠@的下降，由圖5、圖6可以看出，隨著溫度的升高，二極管的正向壓降隨之上升；并且?guī)Ь彌_層的二極管，高溫對其正向?qū)ㄌ匦缘挠绊懛浅５姆浅Ｐ。菍ζ胀ǘO管的影響較大。

3 結(jié)束語

通過對快恢復(fù)二極管的理論研究，其動態(tài)性能是至關(guān)重要，要想使反向恢復(fù)時間減小，即必須是反向恢復(fù)峰值電流減小。那么對于普通二極管它的結(jié)構(gòu)不適合做快恢復(fù)二極管，就得采用新的結(jié)構(gòu)，本文通過仿真驗證了對于低陽極濃度，與降低基區(qū)少數(shù)載流子壽命都與理論所得出的結(jié)果一致，更加證明了上述分析的正確性，而且由于基區(qū)寬度的問題，一直困擾了二極管的發(fā)展，本文由提出了加入緩沖層的方法，通過實驗驗證可以有效的縮短基區(qū)，降低導(dǎo)通壓降，提高器件的軟度因子，達到了改善器件性能，優(yōu)化動態(tài)特性的目的。

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