二极管快速软恢复的机理及控制

  对快速软恢复二极管而言，不仅要求反向恢复时间短、反向恢复峰值电流小或反向恢复电荷少，而且还要求其反向特性要有一定的软度。由于正向导通特性和反向恢复特性与阳极注入效率及导通期间的载流子浓度分布密切相关。下面先分析快速软恢复二极管内部载流子浓度分布与特性参数的关系。如图1所示，功率二极管工作在不同时期，内部的载流子浓度分布完全不同。正向峰值电压UFM与导通初期pn结两侧载流子的积累有关，正向压降UF与导通期间n区的载流子浓度分布有关；反向电流峰值与反向恢复初期pn结两侧的载流子浓度有关软度因子S与反向恢复末期nn+结处载流子浓度有关。所以，为了获得良好的电学特性，需要对功率二极管中的载流子浓度分布进行严格控制。

 
  1. 软恢复机理
  下面通过图2所示的反向恢复期间载流子衰减过程来分析软恢复机理。在导通状态下，二极管n区内充满了大量的电子和空穴，且电子和空穴的浓度相等，均大于10¹⁶cm^-3，远高于n区的掺杂浓度。T1时刻开始换流，随着载流子的抽取在外电路形成反向电流，阴极电流由电子电流组成，阳极电流由空穴电流组成。在换流期间从t2到t4之间，n区一直存在载流子的堆积。如图2a所示，在t4和t5之间，二极管突然从载流子积累状态跳到载流子耗尽状态，反向电流急剧衰减，故表现为硬恢复特性。如图2b所示，在t4和t5之间，载流子的积累情况始终存在，并不断提供反向电流。直到t5时刻，二极管开始承受反向电压，此后的恢复过程会导致拖尾电流。可见，功率二极管是否具有软恢复特性取决于其中载流子数的衰减速度，尤其在反向恢复末期，只有当nn+结附近的载流子浓度达到一定值时才能保证其软度。也就是说，在反向恢复末期仍存在较多的载流子时才能实现真正的软恢复。  
  2. 载流子浓度的分布及控制
  (1)载流子浓度分布
  图3给出了功率二极管在导通状态下的n区内部会载流子浓度分布及其对应的反向恢复特性曲线。由图3a所示可看出，载流子浓度近似为"U形"分布。但是，由于空穴迁移率µp。与电子迁移率µn不同(µn≈3µp)，导致两侧的非平衡载流子浓度梯度不同，根据电流连续性方程，Jn≈Jp，于是阳极侧的非平衡载流子浓度梯度dp/dx|A约为阴极侧dn/dx|K的3倍，即dp/dx|A≈3dn/dx|K，如图中实线所示，导致二极管出现反向硬恢复。若降低阳极侧的载流子浓度梯度，并提高阴极侧的载流子浓度梯度，如图中虚线所示，可以实现二极管软恢复。因为在反向恢复期间，载流子的抽取与其浓度梯度有关，阳极侧的载流子浓度梯度降低使得空穴抽取减慢，阴极侧的载流子浓度梯度提高使得电子抽取加快，于是有更多的空穴保留至关断末期才与电子复合，使得反向恢复电流拖尾变长，导致器件的反向恢复特性变软。   为了表示非平衡载流子浓度分布与功率二极管特性之间的依赖关系，定义参数K表示功率二极管中pn结和nn+结处的非平衡载流子浓度比，则   根据上述分析结果可知，当K>1时，反向恢复特性和导通特性较差；当K<1时，反向特性和导通特性较好。设计时，将靠近阳极pn结处空穴浓度降低，可获得较小的反向恢复电流峰值；将靠近nn+结处空穴浓度提高，可以获得较软的反向恢复特性。
 
  (2)载流子浓度分布控制技术
  通过控制阳极的掺杂剂量、改变阳极结构，或采用少子寿命控制技术，均可控制阳极或阴极的注入效率，调制其内部的载流子浓度分布，从而获得较软的反向恢复特性和较好导通特性，并使导通压降具有正的温度系数。表1给出了采用不同阳极控制技术的二极管特性参数(IF=200A)。其中二极管p+n-n+(A)只采用了寿命控制技术，p+n-n+(B)只采用了降低阴极注入效率技术，pn-n+(C)采用了降低阳极注入效率技术和适当寿命控制，pn-n+(D)则采用降低阳极注入效率和大幅度寿命控制。相比较而言，只有pn-n+(C)和pn-n+(D)结构的正向压降低、反向恢复电荷少，且反向电流峰值也明显较小。此外，pn-n+(D)结构还可保证其正向压降的温度系数dUF/dT(mV/100K)为正。这说明只有将降低阳极注入效率与寿命控制技术结合时，才能达到理想的效果。


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