快速軟恢復(fù)二極管的設(shè)計

  由于功率二極管導(dǎo)通期間會產(chǎn)生電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，使得正向壓降減小，但同時由于這些少子的存儲效應(yīng)，導(dǎo)致反向恢復(fù)時間變長。為了滿足高頻、大功率應(yīng)用要求，可通過對結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，在擊穿特性、通態(tài)特性和反向恢復(fù)特性之間取得折中，從而獲得最佳的綜合性能。為了提高擊穿電壓、降低正向壓降，可通過采用緩沖層或FS層，以及新的陰極或陽極結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。此外，還可利用局部少子壽命控制技術(shù)來協(xié)調(diào)正向壓降、反向恢復(fù)時間及軟度因子三者之間的矛盾關(guān)系，下面介紹快速軟恢復(fù)二極管(FSRD)各區(qū)的設(shè)計方法。
 
  1. 緩沖層/FS層的設(shè)計
  為了改善反向恢復(fù)特性，除了采用低摻雜的陽極區(qū)外，還需在n+陰極區(qū)和n-區(qū)之間增加一層n緩沖層，以改變陰極側(cè)的摻雜濃度分布，從而控制反向恢復(fù)期間載流子的抽取速度。對600V以下的FSRD而言，通常利用外延來形成n緩沖層，如圖1a所示。如APT公司的15DQ60B型快速軟恢復(fù)二極管就是在15D60B型快速軟恢復(fù)二極管的基礎(chǔ)上增加一個n緩沖層，使得反向峰值電流和反向恢復(fù)電荷降低，反向恢復(fù)特性更軟。對于1.2kV以上器件，通常采用高阻區(qū)熔(FZ)硅單晶以降低襯底成本，n緩沖層通常采用離子注入工藝來形成，如圖1b所示，也可采用場阻止層或軟穿通(Soft Punch Through,SPT)結(jié)構(gòu)，如Infineon公司的Emcon4二極管就是采用薄片工藝實現(xiàn)了一個較深的、低濃度場阻止(deep fieldstop)層，使得在反向恢復(fù)期間，n-n結(jié)處電場強度減小，載流于的抽取速率減小，從而顯著減小高電壓振蕩，獲得更軟的恢復(fù)特性。圖1c是一種中部高濃度的寬緩沖層(Middle Broad Buffer Layer,MBBL)二極管結(jié)構(gòu)，它是利用外延工藝在n-區(qū)形成一個中心處濃度為Np，兩側(cè)濃度約為1/3Np的類“山”形摻雜濃度分布。這種較寬的“山”形摻雜濃度分布，也可在FZ硅單晶片上利用P或As離子注入來實現(xiàn)。采用MBBL結(jié)構(gòu)可以獲得快而軟的反向恢復(fù)特性，并抑制反向高電壓的振蕩。將MBBL結(jié)構(gòu)與質(zhì)子輻照技術(shù)結(jié)合，可進一步降低反向峰值電流抑制高壓振蕩。

  2. 陽極區(qū)的設(shè)計
  功率二極管陽極區(qū)的設(shè)計，首先要考慮降低陽極的注入效率，以協(xié)調(diào)通態(tài)特性與反向恢復(fù)特性之間的矛盾關(guān)系。此外，還需考慮功率二極管安全工作區(qū)及可靠性等因素。降低陽極摻雜濃度，不僅可以降低陽極注入效率，縮短反向恢復(fù)時間，而且可使pn結(jié)壓降減小，有利于降低器件的正向壓降。如采用IDEE陽極結(jié)構(gòu)，可使陽極注入效率隨電流密度升高而增大，不僅可以改善功率二極管的反向恢復(fù)特
性，還可降低高電流密度下的正向壓降，提高功率二極管抗浪涌電流的能力。此外，對陽極區(qū)進行局部壽命控制，如采用FSA結(jié)構(gòu)，使復(fù)合中心位于反偏pn結(jié)空間電荷區(qū)之外的中性陽極區(qū)，就可降低高溫漏電流。
 
  3. 輔助門極的設(shè)計
  除了對快恢復(fù)二極管的n緩沖區(qū)、陽極區(qū)及陰極區(qū)進行優(yōu)化設(shè)計外，還可以在陰極側(cè)增加一個控制極，形成門極控制二極管(Gate Controlled Diode,GCD)。如圖2所示，它是利用臺面工藝將p+門極區(qū)從n+陰極區(qū)中分離，并形成獨立的門極接觸。   GCD反向恢復(fù)期間，通過在門極上加一正向電流脈沖來改善其反向恢復(fù)特性，如圖3所示。當(dāng)GCD的反向恢復(fù)峰值電流開始下降時，在門極上加一個很低的正電流脈沖，向n-區(qū)中注入空穴，以延長反向恢復(fù)末期的拖尾電流，從而獲得較軟的反向恢復(fù)特性。脈沖寬度tpulse、延遲時間tdelay及門極電流幅度Ic都會影響GCD的反向恢復(fù)特性。如果在GCD的門極上加5V或6V電壓，可獲得幅值為300A的門極電流IG，于是可關(guān)斷1300A的通態(tài)平均電流，并且有較軟的反向恢復(fù)特性。   采用門極控制技術(shù)雖然可以得到較好的特性，但增加了門極控制電路及其功耗，當(dāng)然，GCD也可以采用與GCT相同的驅(qū)動方式，將門極驅(qū)動電路通過印制電路板與GCD做在一起，形成集成化的GCD(IGCD)。用IGCD與IGCT反并聯(lián)可替代串聯(lián)IGCT的吸收網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對稱的靜態(tài)與動態(tài)均壓，同時反并聯(lián)的IGCD還可以減小IGCT的關(guān)斷損耗。



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