快恢复二极管的反向偏置技术

  所有的PIN二极管，在正向导通电流传导时，在漂移区都会有大量的自由截流子，由于电导调制效应，使得正向通态压降VF很低。二极管从正向通态转换到反向阻挡态，必须从漂移区抽取出这些高浓度自由载流子，以保证漂移区能够承受高电场强度，这个状态转换过程被称为反向恢复过程，如图1所示。

  图1中的参数说明如图2所示，其中反向恢复时间和软度是本次器件和工艺设计的重要指标。  
  1. 二极管反向恢复特性
  当正向导通的二极管的阳极突然施加一个反向偏压，二极管中电流并不会单调下降至零值。在含有电压源和串联电阻的检测电路中，随着电源的反向偏置，可以观察到电流方向也发生反向。这种现象直到漂移区的存储电荷被完全抽取或者复合掉，同时耗尽层宽度扩展。因而，反向恢复过程二极管呈现阻抗特性。
  从to到t2时刻是漂移区中存储的自由载流子被反压扫出的时间，称为自由载流子存储时间ta，随着正向电流以速率-diF/dt减小至零值，电流反向并在t2时刻达到反向峰值电流lRM。这个电流变化率由反向电压和开关电路中的电感决定。二极管上的电压VR(t)直到tl时刻前任处于正向导通状态，在t2时刻VR(t2)等于反向偏置的电源电压Vs。这时PN结两侧开始耗尽，空间电荷区开始形成，二极管也开始具有恢复阻挡性能。
  由于复合效应，反向恢复电流迅速下降，反向恢复下降速率为[dJ/dt]R，直至反向电流从其峰值IPR降至零，这段时间称为自由载流子的复合时间tb。
  从t0到t3这段时间称为反向恢复时间trr，所以trr=ta+tb。
  在功率二极管反向恢复过程中产生的瞬时大电流，高压降必然会产生关断功率损耗，同时反向峰值电流也必然流过开关器件，如果反向峰值电流值超过了开关器件承受能力，将会导致开关器件和二极管损坏。
  反向恢复过程的根源是漂移区中自由载流子的存储，只要是双极型器件，只要有少子注入，就不可避免的有反向恢复过程。反向恢复过程严重限制了器件的高频特性，需要极力减小。
 
  2. 二极管反向恢复软度
  表征二极管反向恢复软度的方法通常是用tb与ta之比值，即软度S=tb/ta。这种表征方法一直被广泛采用，通常要求S越大越好。S越大，意味着反向恢复[dJ/dt]R越小，[dJ/dt]R会在电路电感中产生较高的电动势(VRM-Vs)，这个电势叠加于电源电压Vs之上，一起加在二极管及与其并联的开关元件上，称之为过冲电压。[dJ/dt]R和电路电感越大，VRM越高。这个电势不仅提高了二极管和开关元件的电压要求及成本，而且是对二极管和开关器件的一大威胁。所以反向恢复对于电路安全设计十分重要VRM=VS+L×[dJ/dt]R。2000年发布的IEC标准：IEC60747-2：2000《半导体器件第2部分：整流二极管力》，反向恢复软度因子用符号FRRS表示，定义为：   各参数取值如图3。将反向恢复电流0.9IRM与0.25IRM两点的连线在时间轴上的交点称为时刻t2，从t0到t2这段时间称为反向恢复时间trr，显然FRRS要求越大越好。
  当反向恢复波形为三角形时，有：   可见，FRRS与S是统一的，但FRRS更科学，更实用。反向恢复时间trr及软度因子FRRS的测试条件如下：小于10%的和200%的额定正向平均电流值正向电流下降率(dirr/dt)i=0；反向电压(VR)，取额定反向重复峰值电压的50%；RC吸收电路(适用时)等效结温。
  由软度因子定义可知，它其实就是反映二极管在反向恢复的tb过程中基区少子因复合而消失的时间长短。所以，软度因子与少子寿命控制方法、基区宽度和扩散浓度分布、元件结构及结构参数等有密切的关系。在空间电荷区扩展后的剩余基区内驻留更多的残存电荷，并驻留更长的时间将提高软度因子。


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