二極管的反向恢復(fù)時間及反向恢復(fù)電荷

  pin二極管作為開關(guān)器件,其開關(guān)速度是非常重要的,就是反向恢復(fù)時間要很快,這就要求正向?qū)ǚe累在n^-基區(qū)內(nèi)的大量少數(shù)載流子在反向關(guān)斷時必須盡快抽出或復(fù)合掉,但是,電路對功率FRD的性能要求不只是速度。對FRD主要性能要求有四項:速度快(反向恢復(fù)時間t_rr和恢復(fù)電荷Q_rr小)、反向泄漏電流I_R小、正向壓降V_F小和反向恢復(fù)軟度因子S大。t_rr、I_R和V_F分別標(biāo)志了FRD在電路中處于每次開關(guān)過渡過程中、關(guān)斷狀態(tài)下和導(dǎo)通狀態(tài)下的自身功率損耗(以下簡稱為功耗)。三個參數(shù)中任何一個的數(shù)值增加都會造成總功耗變大S標(biāo)志反向恢復(fù)過程中電流恢復(fù)速度的快慢(s越大表示電流恢復(fù)越慢),S值小時電感上感生電動勢太大會造成元件過壓而擊穿、電磁輻射公害等,在提高工作頻率時只有t_rr造成的功耗是正比于電路所用開關(guān)頻率而增大的,所以減小t_rr和Q_rr尤其重要。但是減小t_rr和Q_rr時不能影響到l_R、V_F和S。超快、超軟、超低漏電和超低壓降才是FRD迫求的全面目標(biāo)。而恰恰由于物理原理上的內(nèi)在聯(lián)系,用現(xiàn)有技術(shù)來減少t_rr時會造成其他性能的變劣。比如注入的少數(shù)載流子的濃度越高,器件的正向正降就越小,復(fù)合所用的時間就長,開關(guān)時間、開關(guān)損耗就越大；少數(shù)載流子的電導(dǎo)調(diào)制程度低一些可使開關(guān)時間和開關(guān)損耗降低,但通態(tài)壓降和通態(tài)功耗就增大了,對同一種技術(shù)制造的器件不能同時取得通態(tài)功耗與開關(guān)功耗的最小值，只能根據(jù)實際需求在二者之間取其折衷。
 
  P-i-N二極管作為開關(guān)器件,其開關(guān)速度是非常重要的,也就是說反向恢復(fù)時間(t_rr)要很快,反向恢復(fù)時間就是正向?qū)〞r存儲于基區(qū)的電荷耗盡的時間,它是存儲時間和下降時間之和,t_rr=t_a+t_b,見1圖。存儲時間t_a,見1式,是P⁺-i結(jié)邊緣少數(shù)載流子完全清除的時間,此期間二極管端電壓很低,甚至小于正向壓降,電壓主要降落在P⁺-i結(jié)上,但是流通的電流可能很大；下降時間t_b(見2式)反映了基區(qū)剩余少數(shù)載流子耗盡或復(fù)合所用的時間,此期間P-i-N二極管兩個結(jié)均承受反壓。

  式中:τ_LL、τ_HL分別為小注入、大注入水平下的載流子壽命
       l_F、l_R分別為正向、反向電流
       R為電路中的電阻
      C_t為pn結(jié)的勢壘電容
 
  由1、2式可以看出t_a、t_b均和τ_LL/τ_HL有著密切的關(guān)系,t_a和t_b與基區(qū)寬度w及載流子壽命τ的關(guān)系如圖1。  
  反向恢復(fù)電荷(Q_rr)與反向恢復(fù)時間有著直接的聯(lián)系,它定義為反向恢復(fù)過程中反向電流對吋間的積分,即:   在圖2中利用直線段將波形進(jìn)行近似,反向恢復(fù)電荷可以表示為    
  由式4可以看出反向恢復(fù)電荷Q_rr隨者正向電流的下降率di_F/dt的增大而增大;因為t_a和t_b均和載流子壽命成正比,則反向恢復(fù)電荷會近似地隨著載流子壽命平方而正比變化,就是說如果大注入條伴下過剩載流子的壽命較長,則反向存儲電荷會較多,反向恢復(fù)時間會較長。只有降低載流子的壽命,才能獲得較短的恢復(fù)時間。
 
  反向過程中P⁺-i-N功率二極管i區(qū)的存儲電荷Q_s應(yīng)該等于反向恢復(fù)電荷Q_rr的量   由4、5兩式可以得到反向恢復(fù)時間t_rr和大水平注入壽命τ_HL及反向峰值電流密度J_rrm之間的關(guān)系,如6式。  
  可見反向族復(fù)時間t_rr和大水平注入壽命τ_HL是正比關(guān)系,和反向峰電流密度J_rrm成反比。也就是說減小τ_HL可以加快器件反向恢復(fù)的速度,一般是通過向i區(qū)引進(jìn)復(fù)合中心的方法來實現(xiàn)的,比如金擴(kuò)散、鉑擴(kuò)散、高能電子輻照以及質(zhì)子、氦離子及γ離子輻照等。但是引進(jìn)的復(fù)合中心在高溫下增強(qiáng)了空間電荷的產(chǎn)生率,導(dǎo)致漏電流增大;高沫度的復(fù)合中心由于補(bǔ)償效應(yīng)會使基區(qū)的電阻率增加,影響器件的正向恢復(fù)特性。
 
  總得來說，要減小反向恢復(fù)時間就要減小正向時的存儲電荷以及提高反向時存儲電荷的掃出速度。注入的少數(shù)載流子的濃度越低，反向復(fù)合所用的時間就越短，開關(guān)時間、開關(guān)損耗就越小，但這卻是以犧牲器件的正向壓降為代價的，只適合于低頻工作的器件；后者主要是以降低少數(shù)載流子的壽命和增大反向電流的抽取來實現(xiàn)。少數(shù)載流子壽命的降低可以通過壽命控制技術(shù)來實現(xiàn)。



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