快恢復(fù)二極管反向耐壓溫度特性及影響因素研究

  1. 引言
  在快恢復(fù)二極管的生產(chǎn)過程中，人們發(fā)現(xiàn)基區(qū)的摻雜濃度的大小極大的影響管芯的成品率，主要表現(xiàn)在低摻雜襯底管芯的高溫特性要差于高濃度摻雜的管芯。
  由于功率半導(dǎo)體器件向快速、大容量的發(fā)展，當(dāng)其工作在大電流、高電壓和高頻的環(huán)境下時(shí)必然會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，使得結(jié)溫上升，特性變差，甚至損壞，因此研究基區(qū)的摻雜濃度對(duì)快恢復(fù)二極管高溫特性的影響是很有意義的。
 
  2. 理論基礎(chǔ)
  2.1 空間電荷效應(yīng)
  空間電荷效應(yīng)是產(chǎn)生的載流子空間電荷使耗盡區(qū)中的電場發(fā)生了變化。這種效應(yīng)在突變結(jié)中引起正的直流增量電阻，而在PIN結(jié)構(gòu)的二極管中則引起負(fù)的直流增量電阻。
  
  2.2 軟擊穿、硬擊穿
  當(dāng)二極管反向電壓小于雪崩擊穿電壓時(shí)，其漏電流很小，但當(dāng)二極管達(dá)到雪崩擊穿時(shí)，電流迅速上升，即在V_BR時(shí)，電流出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)，即呈現(xiàn)硬擊穿特性；圖1所示為一個(gè)“軟”擊穿二極管的反向電流-電壓特性，與相應(yīng)的“硬”擊穿特性相比較，很明顯，當(dāng)反向電壓還遠(yuǎn)低于雪崩及穿電壓時(shí)，這個(gè)二極管中已經(jīng)有了很大的額外反向電流。

  軟擊穿是一個(gè)很重要的二極管擊穿的反?，F(xiàn)象。這種擊穿特性對(duì)二極管的整流性質(zhì)起著破壞性的影響，極大的漏電流會(huì)使得二極管工作在很高的結(jié)溫下，使得二極管很快的損壞。產(chǎn)生二極管軟擊穿特性的原因可能是表面沾污、晶格缺陷、表面溝道、PN結(jié)不平坦，擴(kuò)散雜質(zhì)濃度問題等。
 
  3．實(shí)驗(yàn)與分析 
  （1）不同基區(qū)摻雜濃度的快恢復(fù)二極管管芯的溫度特性對(duì)比： 
  圖2所示曲線為我們實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)的一批快恢復(fù)管芯，其中，B、C、D的反向耐壓在1600V左右，E、F、G的反向耐壓在900～1000V左右。   對(duì)一批管芯的測試發(fā)現(xiàn)，具有低基區(qū)摻雜濃度的管芯呈現(xiàn)負(fù)溫度系數(shù)的比例很高，并且隨著溫度升高軟特性逐漸明顯；而具有較高基區(qū)摻雜濃度的管芯相當(dāng)?shù)谋壤尸F(xiàn)正溫度系數(shù)。 
  由于二極管具有不同的基區(qū)摻雜濃度，所以在分析二極管的高溫特性時(shí)我們就應(yīng)選取不同的二極管模型。  
  當(dāng)基區(qū)摻雜濃度較高時(shí)，而P⁺區(qū)不是很寬的情況下，我們可以把管芯等效為P⁺N突變結(jié)構(gòu)。
 對(duì)于單邊的P⁺NN⁺突變結(jié)，耗盡層擴(kuò)展到摻雜為N_D的整個(gè)N區(qū)而以x=0及x=W處的平面為邊界。當(dāng)外加電壓V等于擊穿電壓V_B時(shí)，在x=0點(diǎn)，電場(x)具有最大絕對(duì)值m。
 如果我們假定電子以其散射極限速度V_s通過W，則空間電荷電流I為：   其中，?為載流子電荷密度，A為面積，由（1），（2）方程求得空間電荷引起的電場變?yōu)?(x)為：   如果假設(shè)所有的載流子都產(chǎn)生在雪崩區(qū)寬度X_A之內(nèi)，則漂移區(qū)(W-x_A)中的載流子所引起的電壓變動(dòng)可由?(x)的積分得到:   若耗盡層寬度和電流密度都增大時(shí)，空間電荷效應(yīng)可能引起大的V_B。例如，在N_D=10¹⁵cm^-3，A=5×10^-4cm²的SiP⁺N二極管中，擊穿時(shí)的耗盡層寬度是18μm而X_A為6μm。由（6）式可得空間電荷電阻約為140Ω。電流密度為1000A/cm²時(shí)（I=0.5A），V_B=70V，這相當(dāng)于擊穿電壓增加了約20%。
  當(dāng)基區(qū)摻雜濃度較低時(shí)，二極管明顯是PIN結(jié)構(gòu)。PIN二極管的情況和P⁺N結(jié)有所不同；當(dāng)外加反向電壓正好大到足以造成雪崩擊穿時(shí)，反向電流是小的。空間電荷的影響是可以忽略的，耗盡層的電場實(shí)際上是均勻的。當(dāng)電流增加時(shí)，從PI邊界注入更多的電子，而從NI界注入更多的空穴。這些空間電荷將使I區(qū)中心的電場i減小。在擊穿時(shí)，出現(xiàn)在邊界上的最大的電場實(shí)際上是固定的。因此當(dāng)電流增加時(shí)，i降低，因而等于0^Wdx的電壓降低。結(jié)果在PIN二極管總出現(xiàn)了負(fù)的增量電阻。
  空間電荷效應(yīng)也可以很好的解釋帶有緩沖層結(jié)構(gòu)的管芯為什么具有很好的溫度特性。
  實(shí)驗(yàn)室所研制開發(fā)的RSD（Reversely Switched Dynistor）是一種具有正向阻斷電壓高、通流能力強(qiáng)、高di/dt、導(dǎo)通時(shí)間短、長壽命和重復(fù)率高等特點(diǎn)脈沖功率開關(guān)?，F(xiàn)在采用新結(jié)構(gòu)增加緩沖層之后使得管芯明顯減薄，并且具有更好的溫度特性。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和增加緩沖層之后的新結(jié)構(gòu)的對(duì)比通過圖4所示：   如圖4所示，帶緩沖層結(jié)構(gòu)的基區(qū)摻雜濃度低于傳統(tǒng)的基區(qū)濃度。由于RSD具有很高的阻斷電壓，因此它的基區(qū)摻雜濃度較低，很明顯，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可以 采用PIN模型來分析，因此具有較明顯的負(fù)溫度特性。     
  而對(duì)于帶緩沖層的新結(jié)構(gòu)，本征基區(qū)寬度較窄，因此在反向耐壓下，基區(qū)發(fā)生穿通，空間電荷區(qū)進(jìn)入緩沖層。此處可以采用P⁺N突變結(jié)模型，根據(jù)載流子空間電荷在N基區(qū)產(chǎn)生的電場變化來分析，在高溫情況下，本征基區(qū)已經(jīng)發(fā)生穿通，故電場變化不大，但是在緩沖層由于載流子空間電荷的存在，使得緩沖層的漂移區(qū)出現(xiàn)一個(gè)附加電場，所以對(duì)外呈現(xiàn)耐壓增大。因此帶有緩沖層結(jié)構(gòu)的RSD具有正溫度特性。
  （2）正、負(fù)斜角管芯的溫度特性對(duì)比：   管芯B、C臺(tái)面為正斜角，D、E、F、G臺(tái)面為負(fù)斜角，并且所有芯片都具有較好的硬特性。從溫度曲線可以看出，擊穿電壓的溫度系數(shù)的正負(fù)與臺(tái)面的磨角并無直接的關(guān)系。但是在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)采用負(fù)角保護(hù)的管芯在高溫高壓情況下出現(xiàn)軟化的情況比例比較高，并且比較嚴(yán)重，在低壓的情況下溫度特性比較穩(wěn)定。
 
  4．結(jié)論 
  （1）當(dāng)基區(qū)摻雜濃度較高時(shí)，而P⁺區(qū)的又不是很寬的情況下，二極管等效為P⁺N突變結(jié)結(jié)構(gòu)，在高溫情況下，隨著漏電流的增加，由于空間電荷效應(yīng)的作用， 使得二極管呈現(xiàn)正阻效應(yīng)，并且由于雪崩擊穿的正溫度系數(shù)的特性，使得管芯呈現(xiàn)很好的正溫度系數(shù)特性； 
  當(dāng)基區(qū)摻雜濃度較低時(shí)，二極管采用PIN結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在高溫漏電流增加的時(shí)候，空間電荷使得I區(qū)的中心電場減小，從而使得擊穿電壓下降，出現(xiàn)了負(fù)阻效應(yīng)，由于此時(shí)二極管的負(fù)阻效應(yīng)占主導(dǎo)地位，而雪崩擊穿隨溫度的升高而增加趨于次要地位，所以二極管管芯呈現(xiàn)負(fù)溫度系數(shù)。并且發(fā)現(xiàn)，具有緩沖層結(jié)構(gòu)的管芯高溫特性更為優(yōu)良。 
  （2）在功率半導(dǎo)體的臺(tái)面保護(hù)方面，采用正負(fù)磨角都可以獲得比較優(yōu)良特性的管芯，但是從實(shí)驗(yàn)中也可以看出負(fù)磨角的管芯具有較差的高溫特性，尤其是在高耐壓情況下，并且查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)，在降低表面電場方面，正角的造型比負(fù)角更為有效。



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