快恢复二极管的两极设计

  对于快恢复PIN二极管来讲，其与普通PIN二极管的区别在于普通二极管主要是依赖其静态特性即低压降对于pin二极管其阳极浓度要大于阴极浓度，这一点对于快恢复二极管却不适应，快恢复二极管主要是考虑其动态特性，即反向恢复过程，而对于快恢复二极管如果pin二极管阴极浓度比阳极浓度低的情况下很有可能发生这种情况：当阴极的等离子已被完全耗尽时，而n-区域中还有大量的剩余载流子，结果会在阴极发射极形成耗尽层和电场，即阴极耗尽层在阳极发射极耗尽之前就已经形成，那么随后两个空间电荷区相互接近对方，消耗n-区域剩余的载流子载流子，当两个耗尽层相遇时，此时n-区域剩余的载流子将被消耗完，电流瞬间变为零。这个过程中会产生一个很高的电流变化率di/dt，那么其将在电感Li中产生很大的电压如式（1）：
                                   
  这个电压足以烧坏半导体器件和电路中其他器件。
  所以对于现代快恢复二极管来说，阳极的浓度要低于阴极在第三章提到两极的浓度要大于10¹⁹cm-3，这样既可以避免上述的瞬变过程发生，还可以使器件具有良好地欧姆接触，可以改善PIN二极管的正向特性。
  为了PN结的平坦，为了电压一致性好，且容易控制，选取Δρ/ρ叫小的单晶是必要的，Δρ/ρ需控制在10%以内，即尽量采用截面电阻率均匀的硅单晶，使空间电荷区均匀，结电容小，关断时不至于产生过大的反向恢复峰值电流，即过大的能量损耗；而中子嬗变掺杂工艺仅限于掺磷，即仅适用于N型硅，这也是选取N型硅的道理之一。由于μn比μp大得
多，（一般比μn≈3μp），和P型半导体硅材料相比，N型半导体硅材料制成器件的高温特性等要好得多，因此大量采用的均是N型硅半导体材料，这在中子嬗变技术成功用于生产硅单晶后，N型硅单晶材料的应用就广泛了。
  根据电阻率与浓度的关系中可知：当N型材料ND<1×10¹⁵cm^-3，其关系如式（2）：
                              Ƿn=4.596×10¹⁵/N_D    (2)
  ND>1×10¹⁵cm^-3，公式（2）变成（3）的形式：
                          
  根据基区最大掺杂浓度与雪崩击穿电压V_br（单位为V）的近似公式： 
                                 V_br=5.34•10¹³N_D^-3/4   (4)
  这样就可以根据厂家所要求的电压，来算出衬底掺杂的浓度，进一步得出电阻率的值。
  由于二极管的雪崩能力主要由电场强度E所决定，E越大，雪崩能力越强。
  由公式(5)                               

  可知，选取低电阻率的硅单晶，可以获得较高的雪崩能力，即可制造高压二极管，而且低电阻率还可以降低了反向恢复峰值电流，提高其动态特性。
  对于PIN结构即p+n-n+结构通常采用穿通结构，由于非穿通结构基区宽度较宽WN≈1.1Xm，导致正向压降增大，功耗增加，不利于制作大功率器件。而穿通结构I区的宽度Wi小于雪崩击穿的空间电荷区在该区的展宽Xm，空间电荷区展宽为：
                        
  当对器件的击穿电压VPT要求一定时，有一个最小的W_im，对应一个最佳的基区电阻率ρn0。即：   但是对于穿通结构的PIN二极管还存在这样一个问题：就是在二极管关断的时候，当在p+n-结上形成耗尽层以后，耗尽层不断地向n-区域扩张，将剩余的载流子复合掉。问题发生了：空间电荷区在电流降为零之前到达了n+发射极，由于n+区域是高掺杂浓度，空间电荷区的剩余载流子无法穿越n+区，也就没有剩余的载流子来产生电流，因此电流会瞬时下降造成瞬变。
  所以对于基区n-的宽度应做的宽一点，但是宽度的增加，势必会导致器件的功耗增加。所以通过基区宽度的变化来实现这一点是不可取的，那么就通过改变基区浓度来实现，采用较低的电阻率、以及采用穿通+缓冲层的结构。缓冲层的存在，不仅可以缩短基区，而且减小反向恢复峰值电流，减小器件的能量损耗。
  为了使二极管反向恢复速度加快，控制基区少数载流子寿命是必须的；我们可以在工艺上通过非均匀的纵向载流子分布法来提高软度因子，在阳极附近的载流子寿命较小，这样可以获得较小的等离子浓度。中间区域较高的载流子寿命用来形成一个向阴极逐渐增加的等离子浓度。用该方法，可同时获得低瞬变发生几率与合理的通态压降。



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