二极管的反向恢复时间及反向恢复电荷

  pin二极管作为开关器件,其开关速度是非常重要的,就是反向恢复时间要很快,这就要求正向导通积累在n^-基区内的大量少数载流子在反向关断时必须尽快抽出或复合掉,但是,电路对功率FRD的性能要求不只是速度。对FRD主要性能要求有四项:速度快(反向恢复时间t_rr和恢复电荷Q_rr小)、反向泄漏电流I_R小、正向压降V_F小和反向恢复软度因子S大。t_rr、I_R和V_F分别标志了FRD在电路中处于每次开关过渡过程中、关断状态下和导通状态下的自身功率损耗(以下简称为功耗)。三个参数中任何一个的数值增加都会造成总功耗变大S标志反向恢复过程中电流恢复速度的快慢(s越大表示电流恢复越慢),S值小时电感上感生电动势太大会造成元件过压而击穿、电磁辐射公害等,在提高工作频率时只有t_rr造成的功耗是正比于电路所用开关频率而增大的,所以减小t_rr和Q_rr尤其重要。但是减小t_rr和Q_rr时不能影响到l_R、V_F和S。超快、超软、超低漏电和超低压降才是FRD迫求的全面目标。而恰恰由于物理原理上的内在联系,用现有技术来减少t_rr时会造成其他性能的变劣。比如注入的少数载流子的浓度越高,器件的正向正降就越小,复合所用的时间就长,开关时间、开关损耗就越大；少数载流子的电导调制程度低一些可使开关时间和开关损耗降低,但通态压降和通态功耗就增大了,对同一种技术制造的器件不能同时取得通态功耗与开关功耗的最小值，只能根据实际需求在二者之间取其折衷。
 
  P-i-N二极管作为开关器件,其开关速度是非常重要的,也就是说反向恢复时间(t_rr)要很快,反向恢复时间就是正向导通时存储于基区的电荷耗尽的时间,它是存储时间和下降时间之和,t_rr=t_a+t_b,见1图。存储时间t_a,见1式,是P⁺-i结边缘少数载流子完全清除的时间,此期间二极管端电压很低,甚至小于正向压降,电压主要降落在P⁺-i结上,但是流通的电流可能很大；下降时间t_b(见2式)反映了基区剩余少数载流子耗尽或复合所用的时间,此期间P-i-N二极管两个结均承受反压。

  式中:τ_LL、τ_HL分别为小注入、大注入水平下的载流子寿命
       l_F、l_R分别为正向、反向电流
       R为电路中的电阻
      C_t为pn结的势垒电容
 
  由1、2式可以看出t_a、t_b均和τ_LL/τ_HL有着密切的关系,t_a和t_b与基区宽度w及载流子寿命τ的关系如图1。  
  反向恢复电荷(Q_rr)与反向恢复时间有着直接的联系,它定义为反向恢复过程中反向电流对吋间的积分,即:   在图2中利用直线段将波形进行近似,反向恢复电荷可以表示为    
  由式4可以看出反向恢复电荷Q_rr随者正向电流的下降率di_F/dt的增大而增大;因为t_a和t_b均和载流子寿命成正比,则反向恢复电荷会近似地随着载流子寿命平方而正比变化,就是说如果大注入条伴下过剩载流子的寿命较长,则反向存储电荷会较多,反向恢复时间会较长。只有降低载流子的寿命,才能获得较短的恢复时间。
 
  反向过程中P⁺-i-N功率二极管i区的存储电荷Q_s应该等于反向恢复电荷Q_rr的量   由4、5两式可以得到反向恢复时间t_rr和大水平注入寿命τ_HL及反向峰值电流密度J_rrm之间的关系,如6式。  
  可见反向族复时间t_rr和大水平注入寿命τ_HL是正比关系,和反向峰电流密度J_rrm成反比。也就是说减小τ_HL可以加快器件反向恢复的速度,一般是通过向i区引进复合中心的方法来实现的,比如金扩散、铂扩散、高能电子辐照以及质子、氦离子及γ离子辐照等。但是引进的复合中心在高温下增强了空间电荷的产生率,导致漏电流增大;高沫度的复合中心由于补偿效应会使基区的电阻率增加,影响器件的正向恢复特性。
 
  总得来说，要减小反向恢复时间就要减小正向时的存储电荷以及提高反向时存储电荷的扫出速度。注入的少数载流子的浓度越低，反向复合所用的时间就越短，开关时间、开关损耗就越小，但这却是以牺牲器件的正向压降为代价的，只适合于低频工作的器件；后者主要是以降低少数载流子的寿命和增大反向电流的抽取来实现。少数载流子寿命的降低可以通过寿命控制技术来实现。



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