二極管快速軟恢復的機理及控制

  對快速軟恢復二極管而言，不僅要求反向恢復時間短、反向恢復峰值電流小或反向恢復電荷少，而且還要求其反向特性要有一定的軟度。由于正向導通特性和反向恢復特性與陽極注入效率及導通期間的載流子濃度分布密切相關。下面先分析快速軟恢復二極管內部載流子濃度分布與特性參數的關系。如圖1所示，功率二極管工作在不同時期，內部的載流子濃度分布完全不同。正向峰值電壓UFM與導通初期pn結兩側載流子的積累有關，正向壓降UF與導通期間n區(qū)的載流子濃度分布有關；反向電流峰值與反向恢復初期pn結兩側的載流子濃度有關軟度因子S與反向恢復末期nn+結處載流子濃度有關。所以，為了獲得良好的電學特性，需要對功率二極管中的載流子濃度分布進行嚴格控制。

 
  1. 軟恢復機理
  下面通過圖2所示的反向恢復期間載流子衰減過程來分析軟恢復機理。在導通狀態(tài)下，二極管n區(qū)內充滿了大量的電子和空穴，且電子和空穴的濃度相等，均大于10¹⁶cm^-3，遠高于n區(qū)的摻雜濃度。T1時刻開始換流，隨著載流子的抽取在外電路形成反向電流，陰極電流由電子電流組成，陽極電流由空穴電流組成。在換流期間從t2到t4之間，n區(qū)一直存在載流子的堆積。如圖2a所示，在t4和t5之間，二極管突然從載流子積累狀態(tài)跳到載流子耗盡狀態(tài)，反向電流急劇衰減，故表現為硬恢復特性。如圖2b所示，在t4和t5之間，載流子的積累情況始終存在，并不斷提供反向電流。直到t5時刻，二極管開始承受反向電壓，此后的恢復過程會導致拖尾電流?？梢姡β识O管是否具有軟恢復特性取決于其中載流子數的衰減速度，尤其在反向恢復末期，只有當nn+結附近的載流子濃度達到一定值時才能保證其軟度。也就是說，在反向恢復末期仍存在較多的載流子時才能實現真正的軟恢復。  
  2. 載流子濃度的分布及控制
  (1)載流子濃度分布
  圖3給出了功率二極管在導通狀態(tài)下的n區(qū)內部會載流子濃度分布及其對應的反向恢復特性曲線。由圖3a所示可看出，載流子濃度近似為"U形"分布。但是，由于空穴遷移率µp。與電子遷移率µn不同(µn≈3µp)，導致兩側的非平衡載流子濃度梯度不同，根據電流連續(xù)性方程，Jn≈Jp，于是陽極側的非平衡載流子濃度梯度dp/dx|A約為陰極側dn/dx|K的3倍，即dp/dx|A≈3dn/dx|K，如圖中實線所示，導致二極管出現反向硬恢復。若降低陽極側的載流子濃度梯度，并提高陰極側的載流子濃度梯度，如圖中虛線所示，可以實現二極管軟恢復。因為在反向恢復期間，載流子的抽取與其濃度梯度有關，陽極側的載流子濃度梯度降低使得空穴抽取減慢，陰極側的載流子濃度梯度提高使得電子抽取加快，于是有更多的空穴保留至關斷末期才與電子復合，使得反向恢復電流拖尾變長，導致器件的反向恢復特性變軟。   為了表示非平衡載流子濃度分布與功率二極管特性之間的依賴關系，定義參數K表示功率二極管中pn結和nn+結處的非平衡載流子濃度比，則   根據上述分析結果可知，當K>1時，反向恢復特性和導通特性較差；當K<1時，反向特性和導通特性較好。設計時，將靠近陽極pn結處空穴濃度降低，可獲得較小的反向恢復電流峰值；將靠近nn+結處空穴濃度提高，可以獲得較軟的反向恢復特性。
 
  (2)載流子濃度分布控制技術
  通過控制陽極的摻雜劑量、改變陽極結構，或采用少子壽命控制技術，均可控制陽極或陰極的注入效率，調制其內部的載流子濃度分布，從而獲得較軟的反向恢復特性和較好導通特性，并使導通壓降具有正的溫度系數。表1給出了采用不同陽極控制技術的二極管特性參數(IF=200A)。其中二極管p+n-n+(A)只采用了壽命控制技術，p+n-n+(B)只采用了降低陰極注入效率技術，pn-n+(C)采用了降低陽極注入效率技術和適當壽命控制，pn-n+(D)則采用降低陽極注入效率和大幅度壽命控制。相比較而言，只有pn-n+(C)和pn-n+(D)結構的正向壓降低、反向恢復電荷少，且反向電流峰值也明顯較小。此外，pn-n+(D)結構還可保證其正向壓降的溫度系數dUF/dT(mV/100K)為正。這說明只有將降低陽極注入效率與壽命控制技術結合時，才能達到理想的效果。


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