阴极结构对软恢复二极管的反向恢复特性影响

  为了获得较软的反向恢复特性，通过改进二极管的阴极结构以调整反向恢复末期体内的载流子浓度。图1所示的软恢复二极管采用了不同的阴极结构。

  (1)载流子存储二极管(CSD)结构如图1a所示，是将n+阴极区和n缓冲层做成梳状结构，同时在靠近阳极的n-区采用局部少子寿命控制技术形成复合中心，以降低阳极侧的载流子注入。由于梳状开口处的掺杂浓度较低，可增加反向恢复期间阴极侧的载流子浓度，以获得小而长的拖尾电流。通过调整梳状阴极的开口宽度，可减小拖尾电流的斜率，抑制电流和电压振荡。三菱(Mitsubishi)公司采用CSD结构已研制出4.5kV的二极管，在1570A电流下的正向压降为3.5V。在IF=500A，di/dt=2kA/µs，UR=3kV和125℃条件下，测得反向恢复能耗为6.5W，软度因子为11。

  (2)场抽取电荷(Field Charge Extraction,FCE)二极管结构如图1b所示，它是在n+阴极侧增加了低掺杂的浅p控制区，于是在阴极侧形成了一个寄生的pnp晶体管。由于p控制区的掺杂有限，对FCE二极管的反向截止和导通特性不会产生明显的影响。反向恢复期间，随着阳极电压的逐渐上升，p控制区与n
场阻止(Field Stop,FS)层形成的pn结会向nFS层注入空穴，且注入效率随器件两端电压的上升而增大，导致FCE有较软的反向恢复特性。与常规二极管的不同之处在于，FCE二极管在反向恢复中期，阴极寄生的pnp晶体管就开始工作，反向恢复电流由存储电荷的抽取电流和阴极注入的附加电流两部分组成。在反向恢复末期，因为有注入的空穴电流和存储在附加p+n结处的残余载流子，使得反向电流缓慢地减小到零。ABB公司采用FCE结构已开发出6.5kV二极管，正向压降具有正的温度系数，且高温稳定性好，即使在极限应力条件下，也呈现出一个较宽高的SOA。

  (3)背面空穴注入可控(Controlled Injection of Backside Holes,CIBH)二极管结构如图1c所示，是将多个p控制区隐埋在n-区中，形成隐埋型p浮置区，由此导致阴极面增加了两个pn结。由n+阴极区与p浮置区形成的pn +结相当于一个雪崩二极管，其击穿电压很低，在反向截止期间会发生雪崩击穿，可将阴极侧的电场峰值控制在很低的范围，从而有效地抑制了反向恢复期间动态雪崩的发生。由于p浮置区所起的作用与FCE结构中的p控制区相同，所以，CIBH二极管也具有软恢复特性。提高p+隐埋区掺杂浓度时，CIBH二极管的反向恢复特性更软，但反向恢复电流会明显增大。与常规二极管相比，在相同的n-区、阳极区及阴极区参数下，CIBH二极管反向击穿电压较低且漏电流较大。这是因为阳极电压反向时阴极附加pn-结正偏，注入的空穴通过n-区到达阳极，增加了二极管的漏电流，并导致二极管的击穿电压下降。

  (4)IDEE-CIBH二极管结构如图1d所示，它是由IDEE二极管阳极与CIBH二极管阴极结合而成的，具有两者的优点，不仅可以使功率二极管获得良好通态特性和反向恢复特性，而且可以提高二极管抗浪涌冲击和动态雪崩能力。

  (5)场扩展阴极(Relaxed Field of Cathode,RFC)二极管结构如图1e所示，它分为有源区和终端区两部分。在有源区内，阳极采用低掺杂的p区，阴极增加了多个p控制区在终端区内，阳极侧采用了p场限环和n截止环结构，阴极侧的n+区则完全被p区替代，于是终端区和有源区具有两种不同的阴极电子注入效率，即有源区的电子注入效率下γn,active≈0.7～0.8，说明反向恢复期间有源区阴极侧电子的抽取能力减弱；而终端区的电子注入效率γn,edge≈0，说明阴极侧的电子不会从终端区抽走，从而使RFC二极管具有较软的反向恢复特性，并减小反向峰值电压随电路杂散电感Ls的变化。三菱公司采用RFC结构，研制了1700V的二极管，与常规的功率二极管比，其反向恢复能耗降低40%，正向压降降低了30%，峰值功率密度可达1.4W/cm²，并且有较宽的安全工作区(SOA)和正的温度系数。



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