快恢復二極管的兩極設計

  對于快恢復PIN二極管來講，其與普通PIN二極管的區(qū)別在于普通二極管主要是依賴其靜態(tài)特性即低壓降對于pin二極管其陽極濃度要大于陰極濃度，這一點對于快恢復二極管卻不適應，快恢復二極管主要是考慮其動態(tài)特性，即反向恢復過程，而對于快恢復二極管如果pin二極管陰極濃度比陽極濃度低的情況下很有可能發(fā)生這種情況：當陰極的等離子已被完全耗盡時，而n-區(qū)域中還有大量的剩余載流子，結果會在陰極發(fā)射極形成耗盡層和電場，即陰極耗盡層在陽極發(fā)射極耗盡之前就已經形成，那么隨后兩個空間電荷區(qū)相互接近對方，消耗n-區(qū)域剩余的載流子載流子，當兩個耗盡層相遇時，此時n-區(qū)域剩余的載流子將被消耗完，電流瞬間變?yōu)榱恪＿@個過程中會產生一個很高的電流變化率di/dt，那么其將在電感Li中產生很大的電壓如式（1）：
                                   
  這個電壓足以燒壞半導體器件和電路中其他器件。
  所以對于現代快恢復二極管來說，陽極的濃度要低于陰極在第三章提到兩極的濃度要大于10¹⁹cm-3，這樣既可以避免上述的瞬變過程發(fā)生，還可以使器件具有良好地歐姆接觸，可以改善PIN二極管的正向特性。
  為了PN結的平坦，為了電壓一致性好，且容易控制，選取Δρ/ρ叫小的單晶是必要的，Δρ/ρ需控制在10%以內，即盡量采用截面電阻率均勻的硅單晶，使空間電荷區(qū)均勻，結電容小，關斷時不至于產生過大的反向恢復峰值電流，即過大的能量損耗；而中子嬗變摻雜工藝僅限于摻磷，即僅適用于N型硅，這也是選取N型硅的道理之一。由于μn比μp大得
多，（一般比μn≈3μp），和P型半導體硅材料相比，N型半導體硅材料制成器件的高溫特性等要好得多，因此大量采用的均是N型硅半導體材料，這在中子嬗變技術成功用于生產硅單晶后，N型硅單晶材料的應用就廣泛了。
  根據電阻率與濃度的關系中可知：當N型材料ND<1×10¹⁵cm^-3，其關系如式（2）：
                              ?n=4.596×10¹⁵/N_D    (2)
  ND>1×10¹⁵cm^-3，公式（2）變成（3）的形式：
                          
  根據基區(qū)最大摻雜濃度與雪崩擊穿電壓V_br（單位為V）的近似公式： 
                                 V_br=5.34•10¹³N_D^-3/4   (4)
  這樣就可以根據廠家所要求的電壓，來算出襯底摻雜的濃度，進一步得出電阻率的值。
  由于二極管的雪崩能力主要由電場強度E所決定，E越大，雪崩能力越強。
  由公式(5)                               

  可知，選取低電阻率的硅單晶，可以獲得較高的雪崩能力，即可制造高壓二極管，而且低電阻率還可以降低了反向恢復峰值電流，提高其動態(tài)特性。
  對于PIN結構即p+n-n+結構通常采用穿通結構，由于非穿通結構基區(qū)寬度較寬WN≈1.1Xm，導致正向壓降增大，功耗增加，不利于制作大功率器件。而穿通結構I區(qū)的寬度Wi小于雪崩擊穿的空間電荷區(qū)在該區(qū)的展寬Xm，空間電荷區(qū)展寬為：
                        
  當對器件的擊穿電壓VPT要求一定時，有一個最小的W_im，對應一個最佳的基區(qū)電阻率ρn0。即：   但是對于穿通結構的PIN二極管還存在這樣一個問題：就是在二極管關斷的時候，當在p+n-結上形成耗盡層以后，耗盡層不斷地向n-區(qū)域擴張，將剩余的載流子復合掉。問題發(fā)生了：空間電荷區(qū)在電流降為零之前到達了n+發(fā)射極，由于n+區(qū)域是高摻雜濃度，空間電荷區(qū)的剩余載流子無法穿越n+區(qū)，也就沒有剩余的載流子來產生電流，因此電流會瞬時下降造成瞬變。
  所以對于基區(qū)n-的寬度應做的寬一點，但是寬度的增加，勢必會導致器件的功耗增加。所以通過基區(qū)寬度的變化來實現這一點是不可取的，那么就通過改變基區(qū)濃度來實現，采用較低的電阻率、以及采用穿通+緩沖層的結構。緩沖層的存在，不僅可以縮短基區(qū)，而且減小反向恢復峰值電流，減小器件的能量損耗。
  為了使二極管反向恢復速度加快，控制基區(qū)少數載流子壽命是必須的；我們可以在工藝上通過非均勻的縱向載流子分布法來提高軟度因子，在陽極附近的載流子壽命較小，這樣可以獲得較小的等離子濃度。中間區(qū)域較高的載流子壽命用來形成一個向陰極逐漸增加的等離子濃度。用該方法，可同時獲得低瞬變發(fā)生幾率與合理的通態(tài)壓降。



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