MPS二極管特性折衷的研究

張曉勇，關(guān)艷霞

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

1 引言

在開(kāi)關(guān)電源或逆變電路中，快速軟恢復(fù)二極管得到大量的使用。特別是在IGBT模塊中需要反向恢復(fù)特性快而軟的續(xù)流二極管，以提高IGBT的開(kāi)關(guān)特性[1]。對(duì)于低壓系統(tǒng)，可以使用肖特基二極管。對(duì)于中高壓系統(tǒng)，大部分使用PIN結(jié)構(gòu)的二極管。但是，這種PIN二極管具有較差的開(kāi)關(guān)特性（大峰值反向恢復(fù)電流，長(zhǎng)關(guān)斷時(shí)間和較差的反向di/dt）[2]。通常通過(guò)金或鉑摻雜、電子輻照、輕離子輻照等少數(shù)載流子壽命控制技術(shù)，來(lái)改善PIN二極管的反向恢復(fù)特性。但是這種壽命控制技術(shù)導(dǎo)致正向壓降和反向漏電流的增加[3-4]。

通過(guò)改變陽(yáng)極結(jié)構(gòu)，控制陽(yáng)極的注入效率，調(diào)制其內(nèi)部的載流子分布，從而獲得較軟的反向恢復(fù)特性和較好的導(dǎo)通特性[5]。MPS二極管合并了PIN二極管和肖特基二極管，利用PIN二極管在大注入條件下的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，從而使肖特基的漂移區(qū)電阻減小，在大的電流密度下，降低了導(dǎo)通壓降[6-7]。而且這種二極管不需要使用額外的壽命控制技術(shù)，可以在器件設(shè)計(jì)期間通過(guò)改變肖特基區(qū)的面積優(yōu)化正向?qū)ê头聪蚧謴?fù)特性，節(jié)省了成本[8]。與其它結(jié)構(gòu)的二極管相比，MPS二極管具有更好的反向恢復(fù)和正向?qū)ǖ恼壑蕴匦訹9]。

2 MPS二極管的結(jié)構(gòu)

MPS二極管的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)參數(shù)為：Wp+=6μm，Wn-=173μm,Wn+=41μm, 單晶 Si片總厚度H=Wp++Wn-+Wn+=220μm。其中，p+區(qū)表面濃度為 5e18，n+區(qū)表面濃度為1e19，n-區(qū)的濃度為7.6e13。

圖1 MPS二極管結(jié)構(gòu)

首先對(duì)圖1所示的MPS二極管的正向特性、反向阻斷特性和反向恢復(fù)特性進(jìn)行分析，然后優(yōu)化元胞的尺寸和肖特基區(qū)域的面積，使得MPS二極管具有正向?qū)妷汉头聪蚧謴?fù)特性的良好折衷，同時(shí)具有較小的反向漏電流。

3 MPS二極管特性仿真與分析

3.1 正向?qū)ㄌ匦缘姆抡娣治?/h3>

利用Silvaco軟件對(duì)圖1所示的MPS二極管進(jìn)行仿真，圖2中的圖2(a)、圖2(b)分別為不同元胞寬度和不同肖特基面積比的正向?qū)ㄌ匦浴?/p>

圖2 MPS二極管的正向特性

由圖2(a)中可以看出，隨著元胞面積的增大，在100A/cm2的電流密度下，正向壓降逐漸減小。這是因?yàn)樵娣e增大，PIN區(qū)也相應(yīng)增大，注入的少量載流子增多，電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)更好，壓降減小。當(dāng)取相同的PIN區(qū)寬度（如圖2(b)）不同的肖特基區(qū)面積時(shí)，隨著肖特基區(qū)面積的增大，在100A/cm2的電流密度下，正向壓降逐漸增大。這是因?yàn)殡S著肖特基面積的增大，注入的空穴數(shù)目減少，漂移區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)變?nèi)?，正向壓降增大?/p>

3.2 反向阻斷特性的仿真分析

如圖1所示，PIN二極管和肖特基二極管混合在一起，形成了MPS二極管結(jié)構(gòu)。MPS二極管結(jié)構(gòu)中PN結(jié)之間的距離，要求設(shè)計(jì)成在相對(duì)較小的反向偏壓下被夾斷。PN結(jié)之間的距離耗盡以后，勢(shì)壘形成在肖特基金屬下方，它屏蔽了施加在陰極的反向偏壓。與普通的肖特基二極管相比，通過(guò)選擇合適的PN結(jié)之間的距離，使MPS二極管中肖特基接觸處的電場(chǎng)大大減小。這就抑制了肖特基勢(shì)壘降低，從而MPS二極管中的漏電流降低到遠(yuǎn)低于肖特基二極管的漏電流[10]。

圖3中的圖3(a)、圖3(b)分別為不同元胞寬度和不同肖特基面積比的反向阻斷特性曲線。在反向阻斷的過(guò)程中，PN結(jié)形成的勢(shì)壘屏蔽了肖特基表面的電場(chǎng)，從而避免了勢(shì)壘降低效應(yīng)，提高了阻斷電壓。選取A1A2虛線位置，得出了電場(chǎng)的分布情況如圖4所示。其中仿真溫度為125℃。

圖3 MPS二極管反向阻斷特性曲線

從圖3(a)可以看出，取50%肖特基面積，不同元胞面積對(duì)反向阻斷特性影響不大。但是取相同的PIN區(qū)的寬度，如圖3(b)所示隨著肖特基面積的增大，反向電流密度逐漸增大，這是因?yàn)镻IN區(qū)的屏蔽作用減弱，肖特基勢(shì)壘降低效應(yīng)增強(qiáng)，使反向電流密度增大。A1A2虛線位置的電場(chǎng)的分布情況如圖4所示（仿真溫度為125℃），從中可以看出，PN結(jié)的屏蔽使最大電場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生在體內(nèi)。

圖4 MPS二極管反向阻斷的電場(chǎng)分布

3.3 反向恢復(fù)特性的仿真分析及特性折衷

因?yàn)闆](méi)有PN結(jié)的正向注入，正向?qū)ǖ腗PS二極管中的肖特基區(qū)載流子濃度很低。因?yàn)殛P(guān)斷時(shí)要消除存儲(chǔ)電荷，使得MPS二極管載流子分布優(yōu)于PIN二極管中觀察到的載流子分布。MPS二極管表現(xiàn)出了較小的反向恢復(fù)峰值電流和存儲(chǔ)電荷，因此降低了開(kāi)關(guān)的功率損耗。另外，可以通過(guò)改變MPS二極管結(jié)構(gòu)中PN結(jié)和肖特基接觸的相對(duì)面積來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通壓降和反向恢復(fù)功率損耗之間的折衷。另外可以使用PIN二極管的壽命控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)折衷曲線的進(jìn)一步優(yōu)化[10]。

在功率器件的雙脈沖測(cè)試電路中，F(xiàn)RD作為續(xù)流二極管在主開(kāi)關(guān)器件第二次開(kāi)通時(shí)將經(jīng)歷反向恢復(fù)過(guò)程。圖5為反向恢復(fù)仿真的簡(jiǎn)化電路，第一階段的穩(wěn)態(tài)仿真計(jì)算二極管在通態(tài)電流下的電路特性。第二階段仿真反向恢復(fù)過(guò)程，反向恢復(fù)的電流下降速率由電源電壓和電感決定。

圖5 MPS二極管反向恢復(fù)特性仿真電路

圖6為不同元胞寬度和不同肖特基面積的反向恢復(fù)特性曲線[11]。從圖6(a)可以看出，取50%肖特基面積，隨著元胞面積的增大，反向恢復(fù)時(shí)間增大，并且反向峰值電流也增大。當(dāng)取PIN區(qū)寬度相同時(shí)（如圖6(b)），隨著肖特基面積的增大，反向恢復(fù)時(shí)間逐漸減小，同時(shí)反向峰值電流也減小。

圖6 MPS二極管反向恢復(fù)特性曲線

圖7為相同肖特基面積比不同元胞大小和相同PIN區(qū)寬度不同肖特基面積的正向?qū)ê痛鎯?chǔ)電荷的折衷特性。從圖7(a)可以看出，相同的肖特基面積，隨著元胞面積的增大，正向壓降逐漸減小，但是存儲(chǔ)電荷卻逐漸增多。存儲(chǔ)電荷增多，使得反向恢復(fù)特性變差。如圖7(b)所示，相同的PIN區(qū)寬度，隨著肖特基區(qū)面積的增大，正向?qū)▔航翟龃?，存?chǔ)電荷減少，同時(shí)也給出了1200V時(shí)的反向電流密度。

圖7 MPS漂移區(qū)儲(chǔ)存電荷與結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系

圖8給出了MPS二極管反向恢復(fù)期間的載流子衰減過(guò)程。在0.8μs時(shí)，MPS二極管開(kāi)始承受反向阻斷電壓，此后恢復(fù)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生拖尾電流。由于載流子的衰減速度決定二極管是否具有軟恢復(fù)特性，尤其在反向恢復(fù)末期，當(dāng)NN+結(jié)附近的載流子濃度達(dá)到一定值時(shí)才能保證軟度。在0.8μs以后末端仍有較多的載流子，所以MPS二極管的軟度特性很好。

圖8 MPS二極管反向恢復(fù)期間載流子濃度的變化

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)使用Silvaco軟件仿真了MPS二極管的正向?qū)ㄌ匦?、反向阻斷特性和反向恢?fù)特性，并且對(duì)正向?qū)ㄌ匦院头聪蚧謴?fù)特性進(jìn)行了折衷優(yōu)化，在不使用壽命控制技術(shù)的條件下，通過(guò)優(yōu)化肖特基面積，可以獲得更好的折衷特性。并且通過(guò)改變結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)這些特性進(jìn)行了優(yōu)化。

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