改善快恢复二极管性能的方法
作者：海飞乐技术 时间：2017-01-05 18:15
3.改善二极管性能的主要方法
虽然PIN结构的快恢复二极管管具有良好的反向耐压能力，但是由于其反向恢复特性较差，在反向恢复期间产生较大的反向峰值电压，从而影响整个电路的正常工作，其次一个实际的PIN整流器。开通瞬间正向压降幅值要比稳态压降高一个数量级，该电压峰值可以超过30V，这主要是由少子有限的扩散速度造成的，它与N禁区材料电阻率及基区宽度有关。为了改善二极管的工作特性，在器件的设计与制作工艺上均采用了相关的技术。
少子寿命控制技术
由于少子寿命的变化及少子寿命的控制方法影响着快恢复器件的频率特性和反向恢复软度，因此少子寿命的控制技术就处于十分重要的地位。少子寿命控制技术按其特点可分为三种类型：常规型、重金属掺杂型和电子辐射型。
常规型
常规型就是通过调整开关管的结构参数来达到控制少子寿命的目的。包括以下几种方法：减小材料电阻率，杂质分布的控制、减薄基区厚度。
重金属掺杂型
在二极管的制造过程中，有意识的选择某种合适的深能级重金属杂质扩散在半导体中，可以用来降低少子寿命，提高反向恢复软度。常用的重金属杂质有金、铂、钯等。
重金属杂质类型对器件特性有明显影响：
少子寿命与温度的关系——由于载流子的热速度Vt和俘获截面Qp都是温度的函数，所以少子寿命与温度也有较大的关系，具体情况如图1所示。可见在少子寿命与温度之间的变化关系中掺金最小，掺钯次之，掺铂最大。
图1 金、铂、钯与温度的关系
重金属杂质类型与漏电流的关系——漏电流主要是耗尽层产生的电流，其大小取决于重金属杂质的能级位置。能级位置越靠近禁带中心，相应的漏电流也会越大。从金、铂、钯的能级位置可以得到，掺金器件的漏电流最大，其它两种器件的漏电流较小。
重金属杂质类型与电阻率的关系——掺杂在硅中的深能级重金属杂质如果具有一定的受主或施主的性质，由于补偿作用的存在，掺杂重金属将会引起电阻率发生变化、这种补偿作用的大小与原材料电阻率及重金属杂质掺杂在半导体中的导电类型及浓度有关。实验发现，n型半导体掺金后电阻率会上升，而掺杂铂、钯后电阻率反而会降低。电阻率的上升会提高击穿电压，但对器件的其他电特性可能会有不利的影响。
重金属杂质类型与通态压降的关系——采用掺金、掺铂和12Mev电子辐照技术后，将引起二极管的特征参数τ的变化，从而直接影响到二极管的主要参数VF和trr。少子寿命控制方法的选择应使器件有较好的VF——trr折衷曲线，即在trr满足条件时，VF越小越好，这有利于减小功率高频二极管的正向损耗。掺金、掺铂和12Mev电子辐照高频二极管的VF——trr折衷曲线如图2所示。
重金属杂质类型与电阻率的关系——掺杂在硅中的深能级重金属杂质如果具有一定的受主或施主的性质，由于补偿作用的存在，掺杂重金属将会引起电阻率发生变化、这种补偿作用的大小与原材料电阻率及重金属杂质掺杂在半导体中的导电类型及浓度有关。实验发现，n型半导体掺金后电阻率会上升，而掺杂铂、钯后电阻率反而会降低。电阻率的上升会提高击穿电压，但对器件的其他电特性可能会有不利的影响。
重金属杂质类型与通态压降的关系——采用掺金、掺铂和12Mev电子辐照技术后，将引起二极管的特征参数τ的变化，从而直接影响到二极管的主要参数VF和trr。少子寿命控制方法的选择应使器件有较好的VF——trr折衷曲线，即在trr满足条件时，VF越小越好，这有利于减小功率高频二极管的正向损耗。掺金、掺铂和12Mev电子辐照高频二极管的VF——trr折衷曲线如图2所示。
图2 高频二极管的VF——trr折衷曲线
显然，在VF——trr拆衷曲线中掺金最好，12Mev电子辐照次之，掺铂最差。
重金属杂质类型与软度因子的关系——不同的少子寿命控制方法会产生不同的软度因子，资料表明，掺金后二极管的软度因子为0.56，掺铂后二极管的软度因子为0.62，电子辐照后二极管的软度因子为0.34。可见，掺铂后二极管的软度因子最大，掺金次之，电子辐照最差。
综上所述，由于掺金的VF——trr折衷曲线最佳，受温度的影响最小，二极管的软度因子也比较大，所以掺金工艺得到了广泛应用。在我们的课题中也准备采用扩金工艺作为首要的少于寿命控制方法。
电子辐照型
所谓辐照型，就是将制成的成品置于辐照场中，用高能电子进行轰击，使半导体中的硅原子脱离正常格点位置而形成氧空位、磷空位、双空位等，并相应的在硅禁带内形成各种深能级复合中心，从而达到控制少子寿命的目的。
电子辐照的特点是通过对电子注入剂量的调节能够精确控制少子寿命，从而可以很好的协调器件诸电参数对少子寿命的不同要求，而且它可以在器件制造完成后进行，使制作过程简单化、灵活化。
采用新结构
采用新的结构从而改善二极管的性能，例如采用理想欧姆接触。传统的PIN整流器在n-n+界面采用欧姆接触只是对多子而言。由于n-n+高低结产生的内建电场的影响，对少子n-n+并不形成欧姆接触结构。理想欧姆接触就是一种可以使少子和多子均能顺利通过的界面，它是由p+区和n+区相互嵌位构成的，如图5所示。在这种结构中，空穴经过p+通过界面，电子经过n+通过界面。这种结构可以采用传统的选择扩散方法得到，也可以采用肖特基接触代替整个p+区，可以省去一次选择扩散过程，如图6所示。
最近，在制作二极管的工艺流程中，将高电导率的非晶态硅、锗、硼合金利用CVD法沉积在p型硅片上，作为理想接触层，使二极管在正偏时具有低耗整流特性，反偏时具有快速开关特性。
具有理想欧姆接触的二极管反向恢复时间可达60ns，更低的漏电流，使得二极管可以在高温下工作。
制作快速二极管的传统方法是采用掺金、铂或电子辐照来降低少子寿命而获得，然而由于反向恢复时间、反向峰值电流及衰减速度、正向压降等参数的相互制约限制了这种器件用于许多电力电子应用领域，故制作出一种反向恢复时间短、恢复时反向峰值电流小、且为软恢复特性的高速二极管就显得尤为重要。为此开发了不同结构的这种二极管，例如有凹型阶梯“阴极短路”结构，带辅助二极管的结构，阴极短路结构，自调节发射效率与理想欧姆接触二极管(SlOD)等。
重金属杂质类型与软度因子的关系——不同的少子寿命控制方法会产生不同的软度因子，资料表明，掺金后二极管的软度因子为0.56，掺铂后二极管的软度因子为0.62，电子辐照后二极管的软度因子为0.34。可见，掺铂后二极管的软度因子最大，掺金次之，电子辐照最差。
综上所述，由于掺金的VF——trr折衷曲线最佳，受温度的影响最小，二极管的软度因子也比较大，所以掺金工艺得到了广泛应用。在我们的课题中也准备采用扩金工艺作为首要的少于寿命控制方法。
电子辐照型
所谓辐照型，就是将制成的成品置于辐照场中，用高能电子进行轰击，使半导体中的硅原子脱离正常格点位置而形成氧空位、磷空位、双空位等，并相应的在硅禁带内形成各种深能级复合中心，从而达到控制少子寿命的目的。
电子辐照的特点是通过对电子注入剂量的调节能够精确控制少子寿命，从而可以很好的协调器件诸电参数对少子寿命的不同要求，而且它可以在器件制造完成后进行，使制作过程简单化、灵活化。
采用新结构
采用新的结构从而改善二极管的性能，例如采用理想欧姆接触。传统的PIN整流器在n-n+界面采用欧姆接触只是对多子而言。由于n-n+高低结产生的内建电场的影响，对少子n-n+并不形成欧姆接触结构。理想欧姆接触就是一种可以使少子和多子均能顺利通过的界面，它是由p+区和n+区相互嵌位构成的，如图5所示。在这种结构中，空穴经过p+通过界面，电子经过n+通过界面。这种结构可以采用传统的选择扩散方法得到，也可以采用肖特基接触代替整个p+区，可以省去一次选择扩散过程，如图6所示。
最近，在制作二极管的工艺流程中，将高电导率的非晶态硅、锗、硼合金利用CVD法沉积在p型硅片上，作为理想接触层，使二极管在正偏时具有低耗整流特性，反偏时具有快速开关特性。
具有理想欧姆接触的二极管反向恢复时间可达60ns，更低的漏电流，使得二极管可以在高温下工作。
制作快速二极管的传统方法是采用掺金、铂或电子辐照来降低少子寿命而获得，然而由于反向恢复时间、反向峰值电流及衰减速度、正向压降等参数的相互制约限制了这种器件用于许多电力电子应用领域，故制作出一种反向恢复时间短、恢复时反向峰值电流小、且为软恢复特性的高速二极管就显得尤为重要。为此开发了不同结构的这种二极管，例如有凹型阶梯“阴极短路”结构，带辅助二极管的结构，阴极短路结构，自调节发射效率与理想欧姆接触二极管(SlOD)等。
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