高頻電鍍用快恢復(fù)二極管應(yīng)用技術(shù)

摘要
  由高頻直流電鍍電源對(duì)快恢復(fù)整流二極管特性參數(shù)的要求，結(jié)合肖特基二極管的優(yōu)缺點(diǎn)，從縮短正、反向恢復(fù)時(shí)間和改進(jìn)開通、關(guān)斷特性入手，在電阻焊機(jī)用超大電流整流二極管成果的基礎(chǔ)上，采用正確控制基區(qū)少子壽命、低陽(yáng)極濃度、陰極區(qū)深擴(kuò)散等方法，成功研制了3000A/200V/20KHz（PIN結(jié)構(gòu)）高頻直流電鍍電源用快恢復(fù)二極管。高頻直流電鍍電源由于其輸出波形的可控性，不僅使電鍍速度大大加快，而且使電鍍層的質(zhì)量大大提高，同時(shí)又使電源設(shè)備的體積大大減少，節(jié)電效果顯著。
 
  1.課題的提出
  以前高頻電鍍電源所用的快恢復(fù)整流二極管都是肖特基二極管結(jié)構(gòu)。這種快恢復(fù)整流二極管充分利用肖特基二極管多數(shù)載流子導(dǎo)電，因而正、反向恢復(fù)時(shí)間都短的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高頻高效整流。 功率二極管的正向恢復(fù)時(shí)間理解為：一個(gè)尚未導(dǎo)通的功率二極管在正向電流突然強(qiáng)行經(jīng)過它時(shí)(叫做強(qiáng)制開通)，改變到完全開通狀態(tài)時(shí)所需的時(shí)間。在功率二極管完全恢復(fù)到開通狀態(tài)前，正向恢復(fù)期間的正向壓降要比完全開通狀態(tài)時(shí)的壓降高得多，這可能會(huì)產(chǎn)生電路電壓尖峰。功率二極管的反向恢復(fù)時(shí)間理解為：一個(gè)正向?qū)ǖ墓β识O管在通過它的電壓突然反向時(shí)(叫做強(qiáng)迫關(guān)斷)，恢復(fù)到阻斷狀態(tài)時(shí)所需的時(shí)間。功率二極管在反向恢復(fù)期間將產(chǎn)生大的反向電流和大的功率損耗，這是研制與應(yīng)用功率二極管所不希望有的。具有長(zhǎng)反向恢復(fù)時(shí)間的功率二極管類似于具有大寄生電容的功率二極管，具有長(zhǎng)正向恢復(fù)時(shí)間的功率二極管類似于具有大寄生電感的功率二極管。本課題采用通常的PiN 結(jié)構(gòu)制成的快恢復(fù)整流二極管實(shí)現(xiàn)高頻整流及電鍍應(yīng)用。在保證正向、反向恢復(fù)時(shí)間都達(dá)到基本要求的前提下，使快恢復(fù)整流二極管既在反向恢復(fù)時(shí)間內(nèi)不產(chǎn)生大的反向電流和大的功率損耗，又在正向恢復(fù)時(shí)間內(nèi)不產(chǎn)生過大的電路電壓尖峰(換言之，就是將寄生電容、電感做到最小)。進(jìn)而發(fā)揮大電流特性，特別是浪涌電流高的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電流高頻整流及應(yīng)用。
 
  2.肖特基二極管結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)
  金屬和輕摻雜半導(dǎo)體之間的接觸是整流接觸，又稱為肖特基(Schottky)勢(shì)壘接觸。利用這樣的整流接觸做成的器件，稱之為肖特基二極管。肖特基二極管中電荷的運(yùn)輸是靠多數(shù)載流子來(lái)完成的。因此，與少子注入、過剩載流子的抽取與復(fù)合等相關(guān)聯(lián)的現(xiàn)象，并不出現(xiàn)在開通和關(guān)斷過程中。所以在高頻狀態(tài)下使用肖特基二極管具有優(yōu)勢(shì)。
 
  2.1 肖特基二極管的優(yōu)點(diǎn)
  1)反向恢復(fù)時(shí)間和正向恢復(fù)時(shí)間都短;
  2)在低電流密度(JF<10 A/cm2)下，有比P⁺-n-N⁺結(jié)構(gòu)的整流二極管更低的通態(tài)電壓。
 
　2.2 肖特基二極管的缺點(diǎn)
  1)在有限面積的接觸處，擊穿電壓通常會(huì)小于100 V;
  2)只限于低電流密度（JF<10A/cm²）下應(yīng)用，如圖1所示，當(dāng)電流密度JF>10A/cm²時(shí)，通態(tài)電壓降急劇增加，直至擊穿。

 
  3.基本技術(shù)方案
  本課題采用的技術(shù)方案是在電焊機(jī)專用大電流密度整流二極管的科研成果[4]的基礎(chǔ)上，如單晶的選取、擴(kuò)散方法和技術(shù)要求、多層金屬化的歐姆接觸、臺(tái)面噴砂造型和聚酰亞胺鈍化保護(hù)、管殼設(shè)計(jì)等大都是直接借用過來(lái)的，并且是經(jīng)過改進(jìn)的方案研制的，所以使整個(gè)研制工作走了捷徑。
  本課題采用的技術(shù)方案是：
  （1）、采用N型（100）和（111）徑向，電阻率為pn=（7±5）Ω-cm、厚度H=（180±5）µm、直徑Φ=48mm的單晶硅片。
  （2）、硅片擴(kuò)散：P+區(qū)表面濃度；磷擴(kuò)N+區(qū)表面濃度；基區(qū)寬度W約為40µm；控制基區(qū)殘余少子壽命，此時(shí)τn≥1µs。經(jīng)低溫?cái)U(kuò)鉑使少子壽命控制在τp=3µs上下，在磷硅玻璃吸收下，使鉑濃度，進(jìn)而少子壽命τp有一個(gè)近似理想的分布；再用12Mev電子輻照，降低基區(qū)少子壽命到τp=（0.8±0.1）µs。
  （3）、在硅片的兩面燕鍍鈦-鎳-金、經(jīng)臺(tái)面噴砂造型，去砂清洗腐蝕聚酰亞胺鈍化保護(hù)、中間測(cè)試、裝入陶瓷環(huán)充氮?dú)饫鋲汉阜庋b成型、再經(jīng)全面電參數(shù)、動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試合格，最后制成高頻電鍍直流電源專用功率整流快恢復(fù)二極管。
 
  4. P+-i-N+功率二極管頻率特性的改進(jìn)
  大電流密度下的P+-i-N+功率二極管的通態(tài)特性大大優(yōu)于肖特基二極管是不言而喻的。問題是如何提高其頻率特性，使其接近肖特基二極管的水平。提高開通和關(guān)斷過程的速度，也就是千方百計(jì)縮短由斷到開，特別是由開到關(guān)的時(shí)間，即縮短正向恢復(fù)時(shí)間tfr和反向恢復(fù)時(shí)間trr。
 
  4.1 縮短正向恢復(fù)時(shí)間tfr，改進(jìn)開通特性
  由整流二極管的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)可知，正向恢復(fù)時(shí)間tfr 規(guī)定為：在緊接零電壓或其他規(guī)定的反向電壓條件施加規(guī)定的階躍正向電流時(shí)，正向電壓上升到第一個(gè)規(guī)定值瞬間和從其峰值VFRM 下降到接近正向電壓最終穩(wěn)定值的第二個(gè)規(guī)定值瞬間的時(shí)間間隔。如圖2 所示。   圖2中：VF：通態(tài)峰值電壓；
  VF*：最終穩(wěn)定的通態(tài)電壓，一般取VF*≈VF；
  0.1VF*：第一個(gè)規(guī)定值；
  1.1VF*：第二個(gè)規(guī)定值；
  VFRM：開通時(shí)的最高峰值電壓。
  正向恢復(fù)特性好的標(biāo)志是：第一tfr短；第二VFRM不高。
  1)、正向恢復(fù)時(shí)間tfr短，這可以通過縮短基區(qū)寬度，減少基區(qū)渡越時(shí)間來(lái)達(dá)到。
  當(dāng)確保τn≥1µs時(shí)，金考慮電子渡越基區(qū)的時(shí)間<0.22µs，而真實(shí)情況是電子、空穴共同渡越基區(qū)，那么渡越時(shí)間就更短了(<0.1µs)。因此這即保證了雪崩特性和通態(tài)壓降較小，又可使正向恢復(fù)時(shí)間tfr短。這里所以要保證足夠大的τn值，是因?yàn)?tau;n過小，將導(dǎo)致渡越時(shí)間大增。
  2)、開通時(shí)的最高峰值電壓主要由器件雜散(也稱寄生)電感在電流上升率發(fā)生時(shí)的附加電壓L·di/dt以及結(jié)電壓(包括高低結(jié)的電壓)構(gòu)成。顯然控制過大的雜散電感的產(chǎn)生是關(guān)鍵。這里采用有考究的平板式結(jié)構(gòu)，管殼設(shè)計(jì)為無(wú)傘(傘也叫裙邊)薄殼，這都是降低裝配雜散電感，確保VFRM 值不高的必要措施。一般來(lái)講，開通對(duì)高頻應(yīng)用的影響遠(yuǎn)不如關(guān)斷時(shí)反向恢復(fù)時(shí)間以及反向恢復(fù)電荷的影響大。為此，提高整流二極管的高頻應(yīng)用能力，要將重點(diǎn)放在對(duì)關(guān)斷特性的改進(jìn)中。
 
　4.2 降低反向恢復(fù)時(shí)間trr，改進(jìn)關(guān)斷特性
  由整流二極管的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)知，反向恢復(fù)時(shí)間trr規(guī)定為：當(dāng)從正向到反向轉(zhuǎn)換時(shí)，從電流過零瞬間起，至反向電流由峰值IFM減少到規(guī)定低值瞬間(如圖3 所示)的時(shí)間間隔。   圖3中：
  IFM:通態(tài)峰值電流；
  trr:反向恢復(fù)時(shí)間；
  Qr：恢復(fù)電荷（視為圖中大三角形面積）；
  Trrr：反向恢復(fù)電流上升時(shí)間；
  Trrf：反向恢復(fù)電流下降時(shí)間；
  一般簡(jiǎn)寫為：trrr=ta， trrf=tb， 即trr=trrr+trrf=ta+tb
  又定義：（反向恢復(fù)）軟因子為FRRS=tb/ta，也有定義為：   而IRM：最大反向恢復(fù)電流；   反向恢復(fù)特性好的標(biāo)志是：第一trr短，第二Qr小，第三FRRS大。
    在研制過程中采取的措施是：
    1)通過采取磷硅玻璃、硼硅玻璃吸收和慢降溫，先把少子壽命提高到τp=（14±2）µs，目的是提高電子的少子壽命到τn>1µs，確保高頻應(yīng)用時(shí)壓降不會(huì)過大，且正向開通時(shí)間tfr短。
　2)先低溫?cái)U(kuò)鉑再利用陰極面高濃度磷硅玻璃吸收，使少子壽命控制在τp=（3±1）µs，并在基區(qū)有一個(gè)理想的分布，后采用電子輻照達(dá)到最終的關(guān)斷要求的降低少子壽命的控制技術(shù)，既保證了器件長(zhǎng)期應(yīng)用的可靠性，又保證了反向恢復(fù)時(shí)間的要求，且又可以使器件軟關(guān)斷，即軟因子FRRS 增大，反向恢復(fù)電荷Qr減小。當(dāng)反向恢復(fù)時(shí)間不變的前提下，軟因子FRRS增大，即反向恢復(fù)電流下降時(shí)間trrf增長(zhǎng)，實(shí)質(zhì)就是反向恢復(fù)電荷Qr 減小了(也就是最大反向恢復(fù)電流減小)，這樣就實(shí)現(xiàn)了關(guān)斷時(shí)不產(chǎn)生過大的反向電流和過大的能量損耗的目的。
    3)采用截面電阻率均勻的硅單晶，使空間電荷區(qū)寬度均勻，結(jié)電容小也是關(guān)斷時(shí)不產(chǎn)生過大的反向電流和過大的能量損耗的措施之一。
    4)有意將陽(yáng)極區(qū)的表面濃度做得比陰極區(qū)的還要低；且陰極區(qū)結(jié)深增加，變相實(shí)現(xiàn)雙基區(qū)結(jié)構(gòu)。這都是提高軟度因子，降低反向恢復(fù)電荷、反向恢復(fù)時(shí)間的重要措施之一。
 
  5. 器件參數(shù)的測(cè)試
  測(cè)試研制生產(chǎn)的器件，以規(guī)格是直徑48mm/3000A/200V的器件為例，記錄實(shí)測(cè)結(jié)果如下所列。 測(cè)試結(jié)果和客戶現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，所研制生產(chǎn)的產(chǎn)品符合高頻電鍍直流電源用快恢復(fù)功率二極管的要求。
 
  6. 結(jié)語(yǔ)
  快恢復(fù)二極管和普通整流二極管內(nèi)等離子分布幾乎是相反的，為此產(chǎn)生了許許多多方案和各種新結(jié)構(gòu)，如MPS肖特基混合整流二極管等等。但是，所有改進(jìn)都要受條件、成本以及應(yīng)用的約束，而最后確定取舍。在當(dāng)前條件下，我們的研制方案是比較簡(jiǎn)單又切實(shí)可行的一種方案。P⁺IN⁺結(jié)構(gòu)高電流密度高頻整流二極管的成功開發(fā)，對(duì)于輸出直流電壓≥12V范圍的大電流高頻整流應(yīng)用，在提高高頻整流性能、減小電源裝置體積和大幅度提高輸出電流容量方面了，是一個(gè)貢獻(xiàn)。無(wú)疑為電源裝置的設(shè)計(jì)制造提供了良好的選擇途徑。隨著國(guó)家對(duì)電力器件的日益重視，大力開展高性能二極管的研究開發(fā)將是我國(guó)功率半導(dǎo)體工作者的重要任務(wù)。



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