高壓大功率快恢復(fù)二極管靜態(tài)特性及設(shè)計(jì)依據(jù)

  1. PN結(jié)二極管擊穿原理
  根據(jù)物理學(xué)知識，知道高電壓可以導(dǎo)致高電場。二極管在反向偏置下，足夠高的電場加在PN結(jié)上時，結(jié)就產(chǎn)生“擊穿”并由大的電流通過，電擊穿主要有二種機(jī)制：
  (1)隧道擊穿，指的是電場強(qiáng)到足以將被共價鍵束縛的電子釋放出來，產(chǎn)生對電流有貢獻(xiàn)的兩種載流子——電子和空穴；
  (2)雪崩擊穿，自由載流子在兩次碰撞之間從電場獲得足夠的能量，與晶格發(fā)生碰撞時可以打破共價鍵的束縛，產(chǎn)生電子空穴對。若電場足夠高，所有的載流子以及碰撞產(chǎn)生的電子空穴對都能從電場中獲得能量，參與隨后的碰撞，發(fā)生雪崩倍增效應(yīng)，導(dǎo)致空間電荷區(qū)載流子的急劇增加。
  除了電擊穿外，還有一種由于熱不穩(wěn)定性引起的擊穿效應(yīng)，即熱擊穿。在高的反向電壓下，反向電流引起熱損耗導(dǎo)致結(jié)溫升高，結(jié)溫升高反過來又增加了反向電流，這是一個正反饋過程。
  雪崩擊穿是最重要的擊穿機(jī)制。雪崩擊穿電壓決定了大多數(shù)二極管反向偏壓的上限。接下來討論雪崩擊穿的決定因素。
  1)雪崩倍增效應(yīng)
  若耗盡區(qū)的電場足夠高，通過碰撞電離過程就會產(chǎn)生電子一空穴對，穩(wěn)態(tài)總電流可以表示為Itotal=In+Ip?？昭娏鞯脑隽康扔谠赿x距離內(nèi)單位時間產(chǎn)生的電子-空穴對數(shù)目dI_p=I_pa_pdx+I_na_ndx。雪崩擊穿電壓定義為空穴倍增因子Mp趨近于無限大時對應(yīng)的電壓。
 
  2)突變結(jié)雪崩擊穿
  對于單邊突變結(jié)，擊穿電壓通用的經(jīng)驗(yàn)公式：

  N為輕摻雜一側(cè)的襯底摻雜濃度，Em為最大電場，Eg為室溫下的禁帶寬度，WD最大耗盡層寬度。
 
  3)線性緩變結(jié)雪崩擊穿
  對于線性緩變結(jié)，擊穿電壓通用的經(jīng)驗(yàn)公式：  
  式中a為摻雜濃度梯度，Em為最大電場，Eg為室溫下的禁帶寬度，WD最大耗盡層寬度。
  利用Matlab工具和經(jīng)驗(yàn)公式(2.2)仿真線性緩變結(jié)的反偏情況下的電勢和電場分布，反偏電壓和電場強(qiáng)度與耗盡寬度的關(guān)系如圖1所示。  
  4)主結(jié)耐壓性
  所有的半導(dǎo)體器件的物理尺寸部是有限的，以便于封裝和測試，實(shí)際的平面工藝形成的結(jié)，它的周邊曲率效應(yīng)將顯著降低擊穿電壓。因?yàn)榻Y(jié)周邊的柱面或球面區(qū)有較高的電場強(qiáng)度，雪崩擊穿電壓由這些區(qū)域決定，在柱面或球面p-n結(jié)內(nèi)的電勢V(r)和電場E(r)可由Poission方程計(jì)算。  
  2. 高壓大功率快恢復(fù)二極管的研究意義
  新型功率半導(dǎo)體材料雖然得到了廣泛的研究，但是在原材料品質(zhì)等關(guān)鍵技術(shù)上還沒有突破。這就造成高質(zhì)量的新型功率半導(dǎo)體材料晶片造價非常昂貴。只有在原材料的生產(chǎn)成本上降低一個數(shù)量級以上，大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用才會成為可能，而硅基材料已經(jīng)被研究的非常透徹，高質(zhì)量低成本的原材料可以得到充分的保證。
  高壓快恢復(fù)功率二極管(FRD)的器件設(shè)計(jì)與工藝研究。研究的主要內(nèi)容：
  1)利用PN結(jié)終端技術(shù)，完成反向阻斷電壓1200V的快恢復(fù)功率二極管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和仿真調(diào)試，BV≥1200V@0.1mA；
  2)通過控制少子壽命的變化及少子壽命，設(shè)計(jì)完成的器件滿足反向恢復(fù)時間trr≤500ns；反向恢復(fù)軟度因子S>0.5；
  3)利用公司現(xiàn)有的0.5um技術(shù)能力的6吋生產(chǎn)線，完成器件的芯片試制；
  4)與封裝測試公司合作，完成單管樣品封裝和測試。
  日益嚴(yán)重的能源和環(huán)境問題促使人們對能源轉(zhuǎn)換效率、品質(zhì)更加關(guān)注。作為電力電子變換技術(shù)的基礎(chǔ)核心組件，功率半導(dǎo)體器件正沿著高效率、高頻率、高功率、節(jié)能化、智能化等方向發(fā)展。
  快恢復(fù)二極管(FRD)廣泛應(yīng)用于不間斷電源、開關(guān)電源、交流電機(jī)的變頻調(diào)速器、脈寬調(diào)制器(PWM)等電路中作高頻、高壓、大電流整流、續(xù)流二極管用。



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