快恢復(fù)二極管的反向偏置技術(shù)

  所有的PIN二極管，在正向?qū)娏鱾鲗?dǎo)時，在漂移區(qū)都會有大量的自由截流子，由于電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，使得正向通態(tài)壓降VF很低。二極管從正向通態(tài)轉(zhuǎn)換到反向阻擋態(tài)，必須從漂移區(qū)抽取出這些高濃度自由載流子，以保證漂移區(qū)能夠承受高電場強度，這個狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程被稱為反向恢復(fù)過程，如圖1所示。

  圖1中的參數(shù)說明如圖2所示，其中反向恢復(fù)時間和軟度是本次器件和工藝設(shè)計的重要指標(biāo)。  
  1. 二極管反向恢復(fù)特性
  當(dāng)正向?qū)ǖ亩O管的陽極突然施加一個反向偏壓，二極管中電流并不會單調(diào)下降至零值。在含有電壓源和串聯(lián)電阻的檢測電路中，隨著電源的反向偏置，可以觀察到電流方向也發(fā)生反向。這種現(xiàn)象直到漂移區(qū)的存儲電荷被完全抽取或者復(fù)合掉，同時耗盡層寬度擴展。因而，反向恢復(fù)過程二極管呈現(xiàn)阻抗特性。
  從to到t2時刻是漂移區(qū)中存儲的自由載流子被反壓掃出的時間，稱為自由載流子存儲時間ta，隨著正向電流以速率-diF/dt減小至零值，電流反向并在t2時刻達到反向峰值電流lRM。這個電流變化率由反向電壓和開關(guān)電路中的電感決定。二極管上的電壓VR(t)直到tl時刻前任處于正向?qū)顟B(tài)，在t2時刻VR(t2)等于反向偏置的電源電壓Vs。這時PN結(jié)兩側(cè)開始耗盡，空間電荷區(qū)開始形成，二極管也開始具有恢復(fù)阻擋性能。
  由于復(fù)合效應(yīng)，反向恢復(fù)電流迅速下降，反向恢復(fù)下降速率為[dJ/dt]R，直至反向電流從其峰值IPR降至零，這段時間稱為自由載流子的復(fù)合時間tb。
  從t0到t3這段時間稱為反向恢復(fù)時間trr，所以trr=ta+tb。
  在功率二極管反向恢復(fù)過程中產(chǎn)生的瞬時大電流，高壓降必然會產(chǎn)生關(guān)斷功率損耗，同時反向峰值電流也必然流過開關(guān)器件，如果反向峰值電流值超過了開關(guān)器件承受能力，將會導(dǎo)致開關(guān)器件和二極管損壞。
  反向恢復(fù)過程的根源是漂移區(qū)中自由載流子的存儲，只要是雙極型器件，只要有少子注入，就不可避免的有反向恢復(fù)過程。反向恢復(fù)過程嚴(yán)重限制了器件的高頻特性，需要極力減小。
 
  2. 二極管反向恢復(fù)軟度
  表征二極管反向恢復(fù)軟度的方法通常是用tb與ta之比值，即軟度S=tb/ta。這種表征方法一直被廣泛采用，通常要求S越大越好。S越大，意味著反向恢復(fù)[dJ/dt]R越小，[dJ/dt]R會在電路電感中產(chǎn)生較高的電動勢(VRM-Vs)，這個電勢疊加于電源電壓Vs之上，一起加在二極管及與其并聯(lián)的開關(guān)元件上，稱之為過沖電壓。[dJ/dt]R和電路電感越大，VRM越高。這個電勢不僅提高了二極管和開關(guān)元件的電壓要求及成本，而且是對二極管和開關(guān)器件的一大威脅。所以反向恢復(fù)對于電路安全設(shè)計十分重要VRM=VS+L×[dJ/dt]R。2000年發(fā)布的IEC標(biāo)準(zhǔn)：IEC60747-2：2000《半導(dǎo)體器件第2部分：整流二極管力》，反向恢復(fù)軟度因子用符號FRRS表示，定義為：   各參數(shù)取值如圖3。將反向恢復(fù)電流0.9IRM與0.25IRM兩點的連線在時間軸上的交點稱為時刻t2，從t0到t2這段時間稱為反向恢復(fù)時間trr，顯然FRRS要求越大越好。
  當(dāng)反向恢復(fù)波形為三角形時，有：   可見，F(xiàn)RRS與S是統(tǒng)一的，但FRRS更科學(xué)，更實用。反向恢復(fù)時間trr及軟度因子FRRS的測試條件如下：小于10%的和200%的額定正向平均電流值正向電流下降率(dirr/dt)i=0；反向電壓(VR)，取額定反向重復(fù)峰值電壓的50%；RC吸收電路(適用時)等效結(jié)溫。
  由軟度因子定義可知，它其實就是反映二極管在反向恢復(fù)的tb過程中基區(qū)少子因復(fù)合而消失的時間長短。所以，軟度因子與少子壽命控制方法、基區(qū)寬度和擴散濃度分布、元件結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)參數(shù)等有密切的關(guān)系。在空間電荷區(qū)擴展后的剩余基區(qū)內(nèi)駐留更多的殘存電荷，并駐留更長的時間將提高軟度因子。


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