二極管快速軟恢復(fù)的機(jī)理及控制

  對(duì)快速軟恢復(fù)二極管而言，不僅要求反向恢復(fù)時(shí)間短、反向恢復(fù)峰值電流小或反向恢復(fù)電荷少，而且還要求其反向特性要有一定的軟度。由于正向?qū)ㄌ匦院头聪蚧謴?fù)特性與陽極注入效率及導(dǎo)通期間的載流子濃度分布密切相關(guān)。下面先分析快速軟恢復(fù)二極管內(nèi)部載流子濃度分布與特性參數(shù)的關(guān)系。如圖1所示，功率二極管工作在不同時(shí)期，內(nèi)部的載流子濃度分布完全不同。正向峰值電壓UFM與導(dǎo)通初期pn結(jié)兩側(cè)載流子的積累有關(guān)，正向壓降UF與導(dǎo)通期間n區(qū)的載流子濃度分布有關(guān)；反向電流峰值與反向恢復(fù)初期pn結(jié)兩側(cè)的載流子濃度有關(guān)軟度因子S與反向恢復(fù)末期nn+結(jié)處載流子濃度有關(guān)。所以，為了獲得良好的電學(xué)特性，需要對(duì)功率二極管中的載流子濃度分布進(jìn)行嚴(yán)格控制。

 
  1. 軟恢復(fù)機(jī)理
  下面通過圖2所示的反向恢復(fù)期間載流子衰減過程來分析軟恢復(fù)機(jī)理。在導(dǎo)通狀態(tài)下，二極管n區(qū)內(nèi)充滿了大量的電子和空穴，且電子和空穴的濃度相等，均大于10¹⁶cm^-3，遠(yuǎn)高于n區(qū)的摻雜濃度。T1時(shí)刻開始換流，隨著載流子的抽取在外電路形成反向電流，陰極電流由電子電流組成，陽極電流由空穴電流組成。在換流期間從t2到t4之間，n區(qū)一直存在載流子的堆積。如圖2a所示，在t4和t5之間，二極管突然從載流子積累狀態(tài)跳到載流子耗盡狀態(tài)，反向電流急劇衰減，故表現(xiàn)為硬恢復(fù)特性。如圖2b所示，在t4和t5之間，載流子的積累情況始終存在，并不斷提供反向電流。直到t5時(shí)刻，二極管開始承受反向電壓，此后的恢復(fù)過程會(huì)導(dǎo)致拖尾電流。可見，功率二極管是否具有軟恢復(fù)特性取決于其中載流子數(shù)的衰減速度，尤其在反向恢復(fù)末期，只有當(dāng)nn+結(jié)附近的載流子濃度達(dá)到一定值時(shí)才能保證其軟度。也就是說，在反向恢復(fù)末期仍存在較多的載流子時(shí)才能實(shí)現(xiàn)真正的軟恢復(fù)。  
  2. 載流子濃度的分布及控制
  (1)載流子濃度分布
  圖3給出了功率二極管在導(dǎo)通狀態(tài)下的n區(qū)內(nèi)部會(huì)載流子濃度分布及其對(duì)應(yīng)的反向恢復(fù)特性曲線。由圖3a所示可看出，載流子濃度近似為"U形"分布。但是，由于空穴遷移率µp。與電子遷移率µn不同(µn≈3µp)，導(dǎo)致兩側(cè)的非平衡載流子濃度梯度不同，根據(jù)電流連續(xù)性方程，Jn≈Jp，于是陽極側(cè)的非平衡載流子濃度梯度dp/dx|A約為陰極側(cè)dn/dx|K的3倍，即dp/dx|A≈3dn/dx|K，如圖中實(shí)線所示，導(dǎo)致二極管出現(xiàn)反向硬恢復(fù)。若降低陽極側(cè)的載流子濃度梯度，并提高陰極側(cè)的載流子濃度梯度，如圖中虛線所示，可以實(shí)現(xiàn)二極管軟恢復(fù)。因?yàn)樵诜聪蚧謴?fù)期間，載流子的抽取與其濃度梯度有關(guān)，陽極側(cè)的載流子濃度梯度降低使得空穴抽取減慢，陰極側(cè)的載流子濃度梯度提高使得電子抽取加快，于是有更多的空穴保留至關(guān)斷末期才與電子復(fù)合，使得反向恢復(fù)電流拖尾變長(zhǎng)，導(dǎo)致器件的反向恢復(fù)特性變軟。   為了表示非平衡載流子濃度分布與功率二極管特性之間的依賴關(guān)系，定義參數(shù)K表示功率二極管中pn結(jié)和nn+結(jié)處的非平衡載流子濃度比，則   根據(jù)上述分析結(jié)果可知，當(dāng)K>1時(shí)，反向恢復(fù)特性和導(dǎo)通特性較差；當(dāng)K<1時(shí)，反向特性和導(dǎo)通特性較好。設(shè)計(jì)時(shí)，將靠近陽極pn結(jié)處空穴濃度降低，可獲得較小的反向恢復(fù)電流峰值；將靠近nn+結(jié)處空穴濃度提高，可以獲得較軟的反向恢復(fù)特性。
 
  (2)載流子濃度分布控制技術(shù)
  通過控制陽極的摻雜劑量、改變陽極結(jié)構(gòu)，或采用少子壽命控制技術(shù)，均可控制陽極或陰極的注入效率，調(diào)制其內(nèi)部的載流子濃度分布，從而獲得較軟的反向恢復(fù)特性和較好導(dǎo)通特性，并使導(dǎo)通壓降具有正的溫度系數(shù)。表1給出了采用不同陽極控制技術(shù)的二極管特性參數(shù)(IF=200A)。其中二極管p+n-n+(A)只采用了壽命控制技術(shù)，p+n-n+(B)只采用了降低陰極注入效率技術(shù)，pn-n+(C)采用了降低陽極注入效率技術(shù)和適當(dāng)壽命控制，pn-n+(D)則采用降低陽極注入效率和大幅度壽命控制。相比較而言，只有pn-n+(C)和pn-n+(D)結(jié)構(gòu)的正向壓降低、反向恢復(fù)電荷少，且反向電流峰值也明顯較小。此外，pn-n+(D)結(jié)構(gòu)還可保證其正向壓降的溫度系數(shù)dUF/dT(mV/100K)為正。這說明只有將降低陽極注入效率與壽命控制技術(shù)結(jié)合時(shí)，才能達(dá)到理想的效果。


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