陰極結(jié)構(gòu)對(duì)軟恢復(fù)二極管的反向恢復(fù)特性影響

  為了獲得較軟的反向恢復(fù)特性，通過改進(jìn)二極管的陰極結(jié)構(gòu)以調(diào)整反向恢復(fù)末期體內(nèi)的載流子濃度。圖1所示的軟恢復(fù)二極管采用了不同的陰極結(jié)構(gòu)。

  (1)載流子存儲(chǔ)二極管(CSD)結(jié)構(gòu)如圖1a所示，是將n+陰極區(qū)和n緩沖層做成梳狀結(jié)構(gòu)，同時(shí)在靠近陽(yáng)極的n-區(qū)采用局部少子壽命控制技術(shù)形成復(fù)合中心，以降低陽(yáng)極側(cè)的載流子注入。由于梳狀開口處的摻雜濃度較低，可增加反向恢復(fù)期間陰極側(cè)的載流子濃度，以獲得小而長(zhǎng)的拖尾電流。通過調(diào)整梳狀陰極的開口寬度，可減小拖尾電流的斜率，抑制電流和電壓振蕩。三菱(Mitsubishi)公司采用CSD結(jié)構(gòu)已研制出4.5kV的二極管，在1570A電流下的正向壓降為3.5V。在IF=500A，di/dt=2kA/µs，UR=3kV和125℃條件下，測(cè)得反向恢復(fù)能耗為6.5W，軟度因子為11。

  (2)場(chǎng)抽取電荷(Field Charge Extraction,FCE)二極管結(jié)構(gòu)如圖1b所示，它是在n+陰極側(cè)增加了低摻雜的淺p控制區(qū)，于是在陰極側(cè)形成了一個(gè)寄生的pnp晶體管。由于p控制區(qū)的摻雜有限，對(duì)FCE二極管的反向截止和導(dǎo)通特性不會(huì)產(chǎn)生明顯的影響。反向恢復(fù)期間，隨著陽(yáng)極電壓的逐漸上升，p控制區(qū)與n
場(chǎng)阻止(Field Stop,FS)層形成的pn結(jié)會(huì)向nFS層注入空穴，且注入效率隨器件兩端電壓的上升而增大，導(dǎo)致FCE有較軟的反向恢復(fù)特性。與常規(guī)二極管的不同之處在于，F(xiàn)CE二極管在反向恢復(fù)中期，陰極寄生的pnp晶體管就開始工作，反向恢復(fù)電流由存儲(chǔ)電荷的抽取電流和陰極注入的附加電流兩部分組成。在反向恢復(fù)末期，因?yàn)橛凶⑷氲目昭娏骱痛鎯?chǔ)在附加p+n結(jié)處的殘余載流子，使得反向電流緩慢地減小到零。ABB公司采用FCE結(jié)構(gòu)已開發(fā)出6.5kV二極管，正向壓降具有正的溫度系數(shù)，且高溫穩(wěn)定性好，即使在極限應(yīng)力條件下，也呈現(xiàn)出一個(gè)較寬高的SOA。

  (3)背面空穴注入可控(Controlled Injection of Backside Holes,CIBH)二極管結(jié)構(gòu)如圖1c所示，是將多個(gè)p控制區(qū)隱埋在n-區(qū)中，形成隱埋型p浮置區(qū)，由此導(dǎo)致陰極面增加了兩個(gè)pn結(jié)。由n+陰極區(qū)與p浮置區(qū)形成的pn +結(jié)相當(dāng)于一個(gè)雪崩二極管，其擊穿電壓很低，在反向截止期間會(huì)發(fā)生雪崩擊穿，可將陰極側(cè)的電場(chǎng)峰值控制在很低的范圍，從而有效地抑制了反向恢復(fù)期間動(dòng)態(tài)雪崩的發(fā)生。由于p浮置區(qū)所起的作用與FCE結(jié)構(gòu)中的p控制區(qū)相同，所以，CIBH二極管也具有軟恢復(fù)特性。提高p+隱埋區(qū)摻雜濃度時(shí)，CIBH二極管的反向恢復(fù)特性更軟，但反向恢復(fù)電流會(huì)明顯增大。與常規(guī)二極管相比，在相同的n-區(qū)、陽(yáng)極區(qū)及陰極區(qū)參數(shù)下，CIBH二極管反向擊穿電壓較低且漏電流較大。這是因?yàn)殛?yáng)極電壓反向時(shí)陰極附加pn-結(jié)正偏，注入的空穴通過n-區(qū)到達(dá)陽(yáng)極，增加了二極管的漏電流，并導(dǎo)致二極管的擊穿電壓下降。

  (4)IDEE-CIBH二極管結(jié)構(gòu)如圖1d所示，它是由IDEE二極管陽(yáng)極與CIBH二極管陰極結(jié)合而成的，具有兩者的優(yōu)點(diǎn)，不僅可以使功率二極管獲得良好通態(tài)特性和反向恢復(fù)特性，而且可以提高二極管抗浪涌沖擊和動(dòng)態(tài)雪崩能力。

  (5)場(chǎng)擴(kuò)展陰極(Relaxed Field of Cathode,RFC)二極管結(jié)構(gòu)如圖1e所示，它分為有源區(qū)和終端區(qū)兩部分。在有源區(qū)內(nèi)，陽(yáng)極采用低摻雜的p區(qū)，陰極增加了多個(gè)p控制區(qū)在終端區(qū)內(nèi)，陽(yáng)極側(cè)采用了p場(chǎng)限環(huán)和n截止環(huán)結(jié)構(gòu)，陰極側(cè)的n+區(qū)則完全被p區(qū)替代，于是終端區(qū)和有源區(qū)具有兩種不同的陰極電子注入效率，即有源區(qū)的電子注入效率下γn,active≈0.7～0.8，說(shuō)明反向恢復(fù)期間有源區(qū)陰極側(cè)電子的抽取能力減弱；而終端區(qū)的電子注入效率γn,edge≈0，說(shuō)明陰極側(cè)的電子不會(huì)從終端區(qū)抽走，從而使RFC二極管具有較軟的反向恢復(fù)特性，并減小反向峰值電壓隨電路雜散電感Ls的變化。三菱公司采用RFC結(jié)構(gòu)，研制了1700V的二極管，與常規(guī)的功率二極管比，其反向恢復(fù)能耗降低40%，正向壓降降低了30%，峰值功率密度可達(dá)1.4W/cm²，并且有較寬的安全工作區(qū)(SOA)和正的溫度系數(shù)。



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