快恢復(fù)二極管的仿真驗證

  設(shè)計一個采用P+N-N+結(jié)構(gòu)的1000V，電阻率在20Ω·cm，空間電荷區(qū)展寬在81µm；橫坐標(biāo)為片厚d/µm，縱坐標(biāo)為各部分的雜質(zhì)濃度；片厚d=200µm，兩極為重?fù)诫s，P+濃度為2×10¹⁹cm^-3、N+濃度為2×10²⁰cm^-3、基區(qū)N-的濃度為2×10¹⁴cm^-3；P+寬度為60µm，N-寬度為80µm，N+厚度為60µm。如圖1 所示。

   本實驗做了反向峰值電流隨不同正向電流密度的變化曲線；如圖2所示。   曲線1代表正向電流密度為120A/cm²、曲線2代表正向電流密度為110A/cm²、曲線3代表正向電流密度為100A/cm²、曲線4代表正向電流密度為90A/cm²、曲線5代表正向電流密度為80A/cm²；所以曲線1到5是表示反向電流隨正向電流密度逐漸下降的曲線圖。
  通過圖2可以發(fā)現(xiàn)，這兩種分析所得到的結(jié)論基本一致，PIN二極管正向電流密度越小，反向恢復(fù)過程中的峰值電流就越小，所用的反向恢復(fù)電荷就越少。
  從某種意義上說，反向恢復(fù)電荷Qrr在數(shù)學(xué)上定義為Irr在反向恢復(fù)時間trr內(nèi)的積分，反向恢復(fù)時間trr定義為穿過反向恢復(fù)峰值電流Irrm和0.25Irrm的一條直線與時間軸的交點。那么從t1-t5時間段電流曲線與時間軸圍成的面積即為反向恢復(fù)電荷Qrr；從而可以得到式（9）：   從圖2可以看出正向電流密度越小，反向恢復(fù)峰值電流就越小，反向恢復(fù)時間就越小，器件的關(guān)斷速度越快，關(guān)斷時所消耗的能量就越小。
  正向電流的大小與p+n-結(jié)處載流子的濃度有關(guān)系，如式（10）   從式（10）中可以看出載流子的濃度p（x）與pin二極管的正向電流密度jpin近似成正比。那么就進一步說明要想使反向恢復(fù)時間減小，我們就的使反向恢復(fù)峰值電流減小，反向峰值電流的減小，可以通過減小正向電流密度來實現(xiàn)，而正向電流密度減小，使p+n-處載流子的濃度降低，這就需要陽極像基區(qū)注入載流子濃度就要減小，也就是說陽極的注入效率要小，所以反向推出對于陽極濃度選取就得采用低陽極濃度技術(shù)，是陽極注入到基區(qū)的載流子濃度要低；那么在反向恢復(fù)過程中，即便有高的電流變化率di/dt，它所產(chǎn)生的反向恢復(fù)電流峰值也不會太高，進而使反向恢復(fù)電荷減小，提高了二極管的關(guān)斷速度。
  實質(zhì)上，整個反向恢復(fù)過程就是I區(qū)中抽取盒復(fù)合掉的電荷總量Qrr，那么，I區(qū)的電流方程可以表示為：   τ為載流子壽命，If為導(dǎo)通時的正向電流。從（12）式可以看出載流子壽命τ越小，反向恢復(fù)過程越快，所花費的反向恢復(fù)時間越小。所以我們要盡量減少τ的值，就是說少子壽命是限制反向恢復(fù)時間縮短的一個重要因素。
  所以為了使二極管的反向恢復(fù)速度加快，降低基區(qū)的少數(shù)載流子壽命是必須的，下面就是驗證通過不同的少子壽命看反向恢復(fù)電流的變化如圖3所示。   圖3所驗證的是在少子壽命分別取2µs、1µs、0.5µs、0.1µs是反向電流的變化，從圖中，不難看出隨著少數(shù)載流子壽命的降低，反向恢復(fù)電流峰值也相繼減小，反向回復(fù)時間也減小，與之前理論分析一致。對于加入緩沖層的二極管采用P+N-NN+結(jié)構(gòu)，橫坐標(biāo)為片厚d/μm，縱坐標(biāo)為各部分的雜質(zhì)濃度；片厚d=200μm，兩極為重?fù)诫s，P+濃度為P+濃度為2×10¹⁹cm^-3、N+濃度為2×10²⁰cm^-3、基區(qū)N-的濃度為2×10¹⁴cm^-3、N區(qū)緩沖層的濃度2×10¹⁶cm^-3為P+寬度為60µm，N-寬度為60μm，緩沖層N厚度為20μm，N+厚度為60μm。如圖4所示。
  帶緩沖層結(jié)構(gòu)的二極管反向恢復(fù)軟度大大增加。由于緩沖層的雜質(zhì)濃度高于襯底的濃度，在反向恢復(fù)過程中使得耗盡區(qū)到達緩沖層后擴展明顯減慢。這樣，經(jīng)過少數(shù)載流子存儲時間之后，在緩沖層中還有大量的載流子未被復(fù)合或抽走，使得復(fù)合時間相應(yīng)增加，從而提高了二極管的軟度。   不同溫度下pin結(jié)構(gòu)二極管與p+n-nn+結(jié)構(gòu)的電流電壓曲線。   緩沖層結(jié)構(gòu)的引入極大的減小了基區(qū)的厚度，從圖4中可以看出，由于緩沖層結(jié)構(gòu)的引入，使N-區(qū)域的厚度明顯減小，而N區(qū)域得濃度比N-區(qū)域濃度要高2個數(shù)量級，那么其電阻率也就比原來N-區(qū)域的電阻率小一個數(shù)量級；從而使正向?qū)▔航得黠@的下降，由圖5、圖6可以看出，隨著溫度的升高，二極管的正向壓降隨之上升；并且?guī)Ь彌_層的二極管，高溫對其正向?qū)ㄌ匦缘挠绊懛浅５姆浅Ｐ?，但是對普通二極管的影響較大。



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