??快恢復(fù)二極管減少載流子壽命的方法
作者：海飛樂(lè)技術(shù) 時(shí)間：2016-12-26 18:14
快恢復(fù)二極管（FRD）適用于需要高速開關(guān)的設(shè)備中。設(shè)計(jì)這種二極管對(duì)研發(fā)工程師是一個(gè)考驗(yàn)，可接受的導(dǎo)通電壓和好的動(dòng)態(tài)性能是矛盾的，他們必須找到兩者的一個(gè)最優(yōu)組合（即高的最大額定功率、低的瞬變可能性和低的關(guān)斷能量Err）。
快恢復(fù)二極管的通用屬性
1)在陽(yáng)極附近，等離子水平必須比較淺，這樣即使高的換流di/dt產(chǎn)生的反向電流峰值也不大。
2)為了使通態(tài)壓降在合理的范圍內(nèi)，避免反向電流峰值的瞬變，n-區(qū)域中間的載流子濃度不應(yīng)該降的太低。
3)陰極側(cè)，等離子濃度應(yīng)該相對(duì)比較高，這樣二極管在尾部才不至于發(fā)生瞬變。然而，必須注意等離子濃度也不能太高，這樣無(wú)益于軟恢復(fù)特性的多余電荷會(huì)增加不必要的關(guān)斷損耗。
根據(jù)推理，一個(gè)普通的強(qiáng)發(fā)射極pin二極管無(wú)法滿足快恢復(fù)二極管的載流子分布要求。相反，自然狀態(tài)的載流子分布是與所需情況相悖的：陽(yáng)極載流子濃度較高，陰極相對(duì)較低（見下圖）。于是，工程師們必須使用各種方法來(lái)調(diào)制等離子形狀，這也衍生出了眾多的概念上不同的FRD設(shè)計(jì)方案。
圖1 室溫和jpin-100A/cm2時(shí)二極管i區(qū)載流子分布
有軸向載流子壽命分布的二極管
如今最流行的等離子分布調(diào)制方案是在軸向方向的特定部位減少載流子壽命。開始時(shí)，選擇的是有強(qiáng)發(fā)射極的pin二極管，對(duì)于快恢復(fù)二極管這是一個(gè)比較差的等離子分布。為了提高動(dòng)態(tài)性能，二極管被高能粒子流照射，或者用重金屬擴(kuò)散，如金或鉑。下圖展示了這類二極管典型的載流子壽命方案。
下面來(lái)簡(jiǎn)單討論一下最常用的載流子壽命減少方法。
圖2 pin二極管典型軸向載流子壽命剖面圖
氫、氦植入
利用粒子加速器將氫、氦原子核植入器件。選擇合適的能量，就可以植入到需要的深度，精確到μm。在植入軌跡上載流子壽命逐漸減少，在原子停止運(yùn)動(dòng)的地方載流子壽命最短。上圖描繪了一個(gè)在兩種不同能量的氫氦植入的典型軸向載流子壽命剖面圖。這類載流子壽命剖面圖會(huì)產(chǎn)生所需要的從陰極到陽(yáng)極逐漸減少的等離子分布形狀。
氫和氦會(huì)在硅內(nèi)部產(chǎn)生非常相似的損害，一個(gè)明顯的差別是氫產(chǎn)生寄生施主中心（n摻雜），而氦完全不會(huì)產(chǎn)生施主或受主中心。因此當(dāng)把氫植入n-區(qū)域時(shí)需特別注意，這可能會(huì)減弱管子的阻斷能力。氫的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以用標(biāo)準(zhǔn)加速器植入到一個(gè)比氦更大的深度中，由于氦原子較重，即使用功率較大的加速器，也最多只能植入約100~150μm。
如同其他重組型壽命減少技術(shù)一樣，氫氦會(huì)產(chǎn)生發(fā)射中心，這會(huì)導(dǎo)致二極管反向偏置漏電流的增加。幸好發(fā)射效應(yīng)比較小，對(duì)漏電流的影響可以接受。
典型的氫的注入量為1011~1013cm-2，氦的注入量要大約低一個(gè)數(shù)量級(jí)，因?yàn)楹け葰渲亍?/span>
電子照射
電子照射的方法一般用于軸向上的復(fù)合載流子壽命均勻減少。選擇電子是因?yàn)樗馁|(zhì)量小，在低的照射能量下就能穿過(guò)整個(gè)器件。
均勻軸向壽命減少的目的是調(diào)整儲(chǔ)存電荷Qrr到要求值，并通過(guò)減小開關(guān)能量密度來(lái)減小反向電流峰值Irr，一般也會(huì)使二極管變得更耐用。不過(guò)也有負(fù)面影響，載流子壽命減少則W/L率升高，等離子層變得更淺，特別是向著二極管中部的方向。這導(dǎo)致前向壓降增大和瞬變幾率增加。而且，高的電子注入量會(huì)顯著增大反向偏置漏電流。
例如，一個(gè)1200V二極管的典型電子注入量約為10~100kGy（1~10MRad）。
重金屬擴(kuò)散
軸向載流子壽命方案也可以通過(guò)擴(kuò)散重金屬獲得，一般采用金或鉑，從陽(yáng)極注入整個(gè)二極管。這些金屬產(chǎn)生接近于中間能帶的狀態(tài)，得到的軸向載流子壽命方案不如氫氦植入的方案那樣定義嚴(yán)密。
比起氫氦植入，重金屬擴(kuò)散的一個(gè)缺點(diǎn)在于依賴于重組壽命的溫度。溫度越低，比起氫氦植入來(lái)說(shuō)，重金屬擴(kuò)散更活躍。因而，二極管前向電壓降的溫度系數(shù)是負(fù)的，而氫氦植入有一個(gè)中性的或正的溫度系數(shù)。負(fù)溫度系數(shù)是不受歡迎的，因?yàn)樗鼤?huì)造成束流效應(yīng)和過(guò)熱點(diǎn)，導(dǎo)致動(dòng)態(tài)耐用性的下降。從好的一方面說(shuō)，重金屬擴(kuò)散的二極管在低操作溫度下發(fā)生瞬變的可能性較小，這可以歸結(jié)為低溫下重組效率的增強(qiáng)。
用“金”作為擴(kuò)散金屬的一個(gè)具體缺陷是：中心原子離中間能帶過(guò)近，從而需要大幅減少生成壽命來(lái)獲得理想的復(fù)合效果，這會(huì)導(dǎo)致漏電流的增大。因此金擴(kuò)散僅僅使用在反向漏電流不重要的場(chǎng)合。
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