快恢復二極管軟度參數(shù)的調整原理與相關計算

 1.前言
  隨著GTR、VDMOS、IGBT等新型自關斷功率器件在高頻變換裝置中的大量應用。作為配套使用的快恢復二極管的反向恢復特性越來越受到使用者關注。最初關注的僅是反向恢復時間trr，后來最關注的的是反向恢復過程中的軟度因子tb/ta，而更進一步關心的是軟度diR(rec)/dt。軟度是圖1 所示二極管反向恢復波形中tb期間反向恢復電流的衰減率。因為軟度的強弱直接影響到恢復過程中產生尖峰電壓的高低：

  式中L是開關電路中的電感。此尖峰電壓VRM作用于和二極管相關聯(lián)的GTR、VDMOS、IGBT，易導致這些器件承受過高的電壓而損壞。
  快恢復二極管的軟度因子和軟度與快恢復二極管的結構參數(shù)和工藝參數(shù)有關。但在制造過程中，結構和工藝參數(shù)一定時，軟度參數(shù)主要受復合中心物理特性的影響。因此本文的目的是通過不同的復合中心對軟度參數(shù)影響的分析，找出一種較好的復合中心來協(xié)調快恢復二極管的軟度參數(shù)，做出軟度較軟的快恢復二極管。  
  2.理論分析
  反向恢復第一階段的恢復時間ta為： 式中τF、τR分別為大注入和小注入水平下載流子壽命；IF、IR分別為通過二極管的正向和反向電流。
  反向恢復第二階段的恢復時間tb為： 式中：R為開關電路中的電阻，Ct為pn結勢壘電容，若忽略RC1的影響，式（3）可簡化為：   當IF=IR條件下，由式（2）、（4）可知，軟度因子tb/tn主要與τR，τF及τR/τF比值有關。
  軟度diR(rec)/dt是tb期間反向恢復電流從IR的最大值指數(shù)地衰減到0.1IR階段中電流的衰減率。Tb期間反向恢復電流可簡單表示為： 式中t2可參照圖1所示的波形參數(shù)。Τ為時間常數(shù)： 對式（5）求導數(shù)，可得軟度的表達式： 由式（6）和（7）可知，軟度diR(rec)/dt亦是τR、τF的函數(shù)，并且亦與τR/τF比值有關。當τR一定時τR/τF的比值越大，tb越大，diR(rec)/dt的絕對值越小，即軟度越軟，軟度因子tb/ta亦越大，二極管軟度參數(shù)越好。
  τR/τF的比值是小注入載流子壽命與大注入載流子壽命的比值，不同注入水平下的載流子壽命表達式：
  小注入水平下載流子壽命用τLL表示： 式中Er為復合中心能級。 σp、σn分別為空穴電子的俘獲截面，Utp、U1o分別為空穴和電子的熱速率，Nt為復合中心密度。
  大注入載流子壽命用τHL表示： 當復合中心能級接近于禁帶中心時，τLL≈τpo，因此可得τLL與τHL的比值：   要使τLL/τHL比值較大，選擇的復合中心的σp/σn的比值應越小越好。常采用的復合中心有金、鉑及電子輻照和Y輻照產生的復合中心，金的
；鉑的；電子輻照能級；Y輻照能級中心。金的σp/σn=84.3；鉑的σp/σn=84.4；電子輻照的σp/σn=5.35；Y輻照的σp/σn=2.39。從這些數(shù)據(jù)可見，Y輻照的中心能級σp/σn比值最小，對于獲得理想的軟度特性是最為有利的。其后依次是電子輻照摻鉑和摻金二極管。
  
  3.實驗結果
  為了驗證以上的分析，對用同樣結構參數(shù)、工藝參數(shù)制成的50A/1000V快恢復二極管樣片，將其分為兩組，一組進行摻金處理，通過摻金量和摻金溫度和時間的控制，將此組樣片進行Y輻照處理，輻照劑量為侖琴，由退火溫度和時間的控制將該組樣片的反向恢復時間trr亦控制在Zµs左右。
  然后在相同的測試條件下，方別測出兩組樣品的ta、tb、trr、tb/ta、diR(rec)/dt等參數(shù)。兩組樣品的測試參數(shù)分別列于表1和表2中。   從兩個表中的結果比較可知，摻金快恢復二極管的軟度因子tb/ta平均值只有0.6左右。而Y輻照快恢復二極管的軟度因子在0.1以上。軟度diR(rec)/dt參數(shù)，摻金樣品平均值在100A/µs以上，而Y輻照樣品平均值在60~70A/µs，Y輻照樣品軟度比摻金樣品好得多，數(shù)量上相差近一倍。
  以上的結果說明了前面理論分析的正確性?？旎謴投O管的軟度參數(shù)和大注入載流子壽命τF及小注入載流子壽命τR都有關系，特別是它們的比值τR/τF的大小。而τR/τF的比值取決于復合中心的物理特性和物理參數(shù)σp/σn的比值，σp/σn比值越小的復合中心，可獲得較大的τR/τF比值，對提高軟度因子tb/ta有利，并可獲得較好的軟度diR(rec)/dt。
  這從快恢復二極管的反向恢復物理過程亦可得到解釋，當大注入壽命τF相對小注入壽命較小時，tn的恢復過程將進行得較快，ta變短。由于τR的相對增加，使得tb的恢復過程將進行得較慢，tb時間增加，因而軟度因子tb/tn增加。同理由于τR較大，在tb期間反向電流IR的衰減率將減低，軟度提高。這說明在二極管結構工藝參數(shù)基本確定的情況下，用適當?shù)膹秃现行娜フ{整軟度參數(shù)是可能的。但是值得注意的是，在工藝過程中會有各種不同能級的復合中心進入硅材料中，綜合的復合效應會導致?lián)浇鸲O管和Y輻照二極管的軟度參數(shù)區(qū)別不大，體現(xiàn)不出某種復合能級的優(yōu)越性。因此要使用某種復合中心去調節(jié)軟度參數(shù)，必須注意硅材料含有害雜質的純度，缺陷密度，注意工藝衛(wèi)生，確保主要復合能級的作用。
 
  4.結論
  用優(yōu)選適當?shù)膹秃现行恼{整快恢復二極管的軟度參數(shù)是可行的，但必須限制其他復合中心的密度。



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