快恢復(fù)二極管的不同陽極剖面結(jié)構(gòu)解析

  傳統(tǒng)的快恢復(fù)二極管(FRD)與普通二極管主要區(qū)別在于反向恢復(fù)時間trr的長短，這主要與非平衡載流子壽命有關(guān)。常用摻金或電子輻照的方法使少子壽命降低，以獲得較短的反向恢復(fù)時間。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的快恢復(fù)二極管遠(yuǎn)不能滿足新器件應(yīng)用的要求，不是簡單地縮短trr，還要求有較軟的恢復(fù)特性。特別是在大功率開關(guān)電路中，由于負(fù)載往往是感性的，在開關(guān)過程中會產(chǎn)生較大的感應(yīng)電壓。為了保護(hù)主開關(guān)器件不被損壞，需要并聯(lián)一只續(xù)流二極管，使其產(chǎn)生的高電壓在回路以電流方式消耗，因此要求續(xù)流二極管有快而軟的反向恢復(fù)特性。本文介紹的快恢復(fù)二極管(FRD)就是為了滿足開關(guān)電源或逆變電路要求而開發(fā)的。
  為了實現(xiàn)二極管的快速軟恢復(fù)特性，需要控制陽極的注入效率。對于低壓二極管，常采用淺結(jié)、肖特基結(jié)或pn結(jié)與肖特基相結(jié)合等方法。對于高壓二極管，由于其中有深結(jié)、歐姆接觸以及漏電流等要求，需采用一些特殊的陽極或陰極結(jié)構(gòu)來調(diào)節(jié)其注入效率。
 
  1. 快恢復(fù)二極管結(jié)構(gòu)
  為了獲得較快的反向恢復(fù)特性，通過改進(jìn)陽極結(jié)構(gòu)來控制其注入效率，以降低導(dǎo)通期間的少子注入。圖1所示的快恢復(fù)二極管采用了不同陽極剖面結(jié)構(gòu)。

  (1)弱陽極二極管結(jié)構(gòu)如圖1a所示，它是通過降低普通pin二極管的陽極摻雜濃度形成的。其n+襯底與n外延層與普通pin二極管相同，只是p陽極區(qū)的摻雜濃度比普通pin二極管的p+陽極區(qū)摻雜濃度更低。采用此結(jié)構(gòu)可降低陽極注入效率，提高反向恢復(fù)速度，并降低開關(guān)損耗。故這種結(jié)構(gòu)也稱為低損耗二極管(Low Loss Diode, LLD)。

  (2)發(fā)射極注入效率自調(diào)整二極管(SPEED)結(jié)構(gòu)如圖1b所示，它是在低摻雜的p陽極區(qū)中嵌入了高摻雜濃度的p+區(qū)。低電流密度下，pn結(jié)的注入效率較低，所以二極管的壓降由正向壓降較低的pnn+部分決定；高電流密度下，p+pn結(jié)的注入效率較高，所以二極管的壓降由正向壓降較低的p+pnn+部分決定。與普通pin二極管相比，SPEED結(jié)構(gòu)在高電流密度下正向壓降增加更少，有助于提高器件抗浪涌電流的能力，并提高反向恢復(fù)速度。

  (3)靜電屏蔽二極管(Static Shielding Diode,SSD)結(jié)構(gòu)如圖1c所示，它的陽極是由一個高摻雜的p+區(qū)環(huán)繞淺輕摻雜p區(qū)構(gòu)成。由于輕摻雜p區(qū)有較低的注入效率，導(dǎo)致存儲電荷減小。該結(jié)構(gòu)可以改善反向恢復(fù)特性，但擊穿電壓較低。

  (4)發(fā)射極短路型二極管(Emiller Short Type Diode,ESD)結(jié)構(gòu)如圖1d所示，它是在陽極區(qū)增加了部分n+控制區(qū)，以降低陽極的注入效率。同時在陽極側(cè)也產(chǎn)生了一個寄生的n+pn-n晶體管。通過適當(dāng)降低p陽極區(qū)的摻雜劑量，并控制n+區(qū)的尺寸，可以減小n+區(qū)下方p陽極區(qū)的橫向電阻，從而避免寄生晶體管在反向恢復(fù)期間導(dǎo)通，并獲得高擊穿電壓和低陽極注入效率。通常將p+與n+區(qū)做成精細(xì)的接觸結(jié)構(gòu)(如寬度Ln+=1µm,Lp=3µm，結(jié)深均為1µm，摻雜濃度為1x10¹⁹cm^-3)，可以保證反向恢復(fù)期間n+p結(jié)的正偏壓低于0.5V而不發(fā)生注入。東芝(Toshiba)公司采用該ESD結(jié)構(gòu)巳研制出4kV耐壓的二極管，在20℃下漏電流低于10µA，在125℃下漏電流在1mA左右，在100A/cm²的正向電流密度下正向壓降為1.24V,且反向恢復(fù)峰值電流、恢復(fù)時間及反向恢復(fù)電荷明顯減小。

  (5)注入效率逆增長(IDEE)二極管結(jié)構(gòu)如圖1e所示，它是通過離子注入和高溫推進(jìn)將陽極區(qū)做成了分離的高摻雜深p+區(qū)，且深p+區(qū)之間的n-區(qū)形成溝道，使陽極注入效率與常規(guī)的pn結(jié)的注入效率變化趨勢相反，即隨陽極電流的上升而逐漸增大，有利于降低大電流下的通態(tài)功耗，提高二極管抗浪涌電流的能力。同時由于陽極p+區(qū)間距很小，截止?fàn)顟B(tài)下溝道區(qū)會被p+n結(jié)的電場屏蔽，所以對擊穿電壓幾乎沒有影響。
  除了采用上述的陽極技術(shù)外，可以通過質(zhì)子輻照在p+陽極區(qū)引入局部的復(fù)合中心來控制載流子壽命，以達(dá)到提高反向恢復(fù)速度的目的。但是復(fù)合中心的位置對反向漏電流的影響較大。在截止期間，如果pn結(jié)形成的空間電荷區(qū)與局部壽命控制產(chǎn)生的輻射缺陷區(qū)重疊(見圖2a)，會導(dǎo)致高溫漏電流增大。為了改善高溫?fù)舸┨匦?，可采用電場屏蔽陽極(Field Shielded Anode,FSA)二極管結(jié)構(gòu)，如圖2b所示。其陽極區(qū)是由高摻雜濃度的淺p+區(qū)和低摻雜濃度的深p區(qū)組成，輻照產(chǎn)生復(fù)合中心的缺陷區(qū)位于p+陽極區(qū)內(nèi)，并遠(yuǎn)離pn結(jié)空間電荷區(qū)(間距為d)，這樣不僅降低了陽極注入效率，獲得較快的反向恢復(fù)特性，而且可以降低高溫漏電流，從而提高二極管的高溫反向擊穿能力。ABB公司采用FSA結(jié)構(gòu)研制出了4.0kV二極管，正向壓降為2.1V，在125℃下的漏電流僅為0.6mA，而常規(guī)二極管的高溫漏電流高達(dá)2mA。


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