快恢复二极管的不同阳极剖面结构解析

  传统的快恢复二极管(FRD)与普通二极管主要区别在于反向恢复时间trr的长短，这主要与非平衡载流子寿命有关。常用掺金或电子辐照的方法使少子寿命降低，以获得较短的反向恢复时间。随着电力电子技术的发展，传统的快恢复二极管远不能满足新器件应用的要求，不是简单地缩短trr，还要求有较软的恢复特性。特别是在大功率开关电路中，由于负载往往是感性的，在开关过程中会产生较大的感应电压。为了保护主开关器件不被损坏，需要并联一只续流二极管，使其产生的高电压在回路以电流方式消耗，因此要求续流二极管有快而软的反向恢复特性。本文介绍的快恢复二极管(FRD)就是为了满足开关电源或逆变电路要求而开发的。
  为了实现二极管的快速软恢复特性，需要控制阳极的注入效率。对于低压二极管，常采用浅结、肖特基结或pn结与肖特基相结合等方法。对于高压二极管，由于其中有深结、欧姆接触以及漏电流等要求，需采用一些特殊的阳极或阴极结构来调节其注入效率。
 
  1. 快恢复二极管结构
  为了获得较快的反向恢复特性，通过改进阳极结构来控制其注入效率，以降低导通期间的少子注入。图1所示的快恢复二极管采用了不同阳极剖面结构。

  (1)弱阳极二极管结构如图1a所示，它是通过降低普通pin二极管的阳极掺杂浓度形成的。其n+衬底与n外延层与普通pin二极管相同，只是p阳极区的掺杂浓度比普通pin二极管的p+阳极区掺杂浓度更低。采用此结构可降低阳极注入效率，提高反向恢复速度，并降低开关损耗。故这种结构也称为低损耗二极管(Low Loss Diode, LLD)。

  (2)发射极注入效率自调整二极管(SPEED)结构如图1b所示，它是在低掺杂的p阳极区中嵌入了高掺杂浓度的p+区。低电流密度下，pn结的注入效率较低，所以二极管的压降由正向压降较低的pnn+部分决定；高电流密度下，p+pn结的注入效率较高，所以二极管的压降由正向压降较低的p+pnn+部分决定。与普通pin二极管相比，SPEED结构在高电流密度下正向压降增加更少，有助于提高器件抗浪涌电流的能力，并提高反向恢复速度。

  (3)静电屏蔽二极管(Static Shielding Diode,SSD)结构如图1c所示，它的阳极是由一个高掺杂的p+区环绕浅轻掺杂p区构成。由于轻掺杂p区有较低的注入效率，导致存储电荷减小。该结构可以改善反向恢复特性，但击穿电压较低。

  (4)发射极短路型二极管(Emiller Short Type Diode,ESD)结构如图1d所示，它是在阳极区增加了部分n+控制区，以降低阳极的注入效率。同时在阳极侧也产生了一个寄生的n+pn-n晶体管。通过适当降低p阳极区的掺杂剂量，并控制n+区的尺寸，可以减小n+区下方p阳极区的横向电阻，从而避免寄生晶体管在反向恢复期间导通，并获得高击穿电压和低阳极注入效率。通常将p+与n+区做成精细的接触结构(如宽度Ln+=1µm,Lp=3µm，结深均为1µm，掺杂浓度为1x10¹⁹cm^-3)，可以保证反向恢复期间n+p结的正偏压低于0.5V而不发生注入。东芝(Toshiba)公司采用该ESD结构巳研制出4kV耐压的二极管，在20℃下漏电流低于10µA，在125℃下漏电流在1mA左右，在100A/cm²的正向电流密度下正向压降为1.24V,且反向恢复峰值电流、恢复时间及反向恢复电荷明显减小。

  (5)注入效率逆增长(IDEE)二极管结构如图1e所示，它是通过离子注入和高温推进将阳极区做成了分离的高掺杂深p+区，且深p+区之间的n-区形成沟道，使阳极注入效率与常规的pn结的注入效率变化趋势相反，即随阳极电流的上升而逐渐增大，有利于降低大电流下的通态功耗，提高二极管抗浪涌电流的能力。同时由于阳极p+区间距很小，截止状态下沟道区会被p+n结的电场屏蔽，所以对击穿电压几乎没有影响。
  除了采用上述的阳极技术外，可以通过质子辐照在p+阳极区引入局部的复合中心来控制载流子寿命，以达到提高反向恢复速度的目的。但是复合中心的位置对反向漏电流的影响较大。在截止期间，如果pn结形成的空间电荷区与局部寿命控制产生的辐射缺陷区重叠(见图2a)，会导致高温漏电流增大。为了改善高温击穿特性，可采用电场屏蔽阳极(Field Shielded Anode,FSA)二极管结构，如图2b所示。其阳极区是由高掺杂浓度的浅p+区和低掺杂浓度的深p区组成，辐照产生复合中心的缺陷区位于p+阳极区内，并远离pn结空间电荷区(间距为d)，这样不仅降低了阳极注入效率，获得较快的反向恢复特性，而且可以降低高温漏电流，从而提高二极管的高温反向击穿能力。ABB公司采用FSA结构研制出了4.0kV二极管，正向压降为2.1V，在125℃下的漏电流仅为0.6mA，而常规二极管的高温漏电流高达2mA。


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