PN结大功率整流二极管工作原理及反向恢复特性

  由于理想二极管只传导正向电流，因而当一个交流电源与之串联使用时，其输出正弦波的正半周可输入负载，负半周不能输入负载，因而负载两端的电压在正半周时不为零，在负半周时为零，这就是所谓整流效应。起整流作用的二极管亦称整流器，大功率整流器一般都是pn结型的功率二极管。显然，作为整流器使用的实际器件应具有尽可能与理想二极管相似的工作特性，即其反向电阻趋于无穷大，正向电阻趋于无穷小；同时还须有尽可能高的击穿电压和尽可能低的偏移电压。但就器件的工作原理而言，这些参数对材料和器件结构的要求往往是不一致的，因而上述要求在同一器件中常常不可能同时得到满足。
  譬如，就偏移电压而言，锗二极管比硅二极管低，但是锗管的反向电阻也要比硅管低得多。这表明反向电阻和偏移电压都与材料的禁带宽度有关。用窄禁带材料制造的功率二极管虽然偏移电压低，但在相同工作条件的反向漏电流较大，且高温特性不好，因而大功率整流器适合于用宽禁带半导体来制造。
  pn结终端(即pn结在芯片边沿或表面的露头)承受反向电压的能力明显低于体内，因而pn结的反向击穿常常发生在芯片表面。表面击穿是限制大功率整流器击穿电压的主要因素之一。为了避免表面击穿，大功率二极管的pn结外露处通常都要采用特殊的造型设计，这就是所谓结终端技术。结终端技术分为两大类。一类是台面造型，即将芯片边沿磨成斜角，使pn结终端的空间电荷区展宽，降低电场强度；另一类则是利用保护环设计或被称为RESURF的终端结构设计来削弱pn结表面的电场。台面磨角造型适合于面积较大的大电流整流二极管，不适合于电流较小的高反压二极管。因为前者的管芯多为完整的圆形硅片，一磨角成形的工艺简单；而后者的管芯多为面积很小的方片，不易磨角成形。对于后者通常采用保护环之类的终端技术来提高其反向击穿电压。最简单的保护环技术是在p⁺n结的表面露头处扩散一个低掺杂的p型环，将p⁺n结在表面处变成pn结。由于空间电荷区在低掺杂区的扩展比在高掺杂p⁺区的扩展宽一些，从而也能使表面空间电荷区展宽，使表面电场降低。
  对于高频应用中的大功率二极管，除了功率消耗和反向阻断能力而外，它在导通过程和关断过程中的瞬态特性也是不容忽视的，某些时候基至上升为第一位的重要问题。
  在功率二极管从断态到稳定导通状态的过渡过程中，其正向电压会随着电流的上升首先出现一个过冲，然后才逐渐趋于稳定，如图1所示。电压过冲的物理机制主要有两个，一个是阻性机制，一个是感性机制。阻性机制与额外载流子注入的电导调制作用有关。以p⁺n二极管为例，其导通初期的电阻主要是低掺杂n区的欧姆电阻，其值颇高且为常量，因而管压降随着电流的上升而升高；但当电流上升到一定数值时，注入并积累在低掺杂n区的额外载流子空穴不断增加，使其电阻率明显下降，这就是电导调制作用。电导调制使n区的有效电阻随着正向电流的上升而下降，管压降即随之降低，从而形成峰值U_Fp。感性机制是指正向电流随时间上升在器件的内部电感上产生压降。器件的内部电感由芯片电感和电极连接件电感两部分组成。显然，电感压降只存在于电流上升过程之中，正向电流渐趋稳定时即趋于零。由于有电感压降的存在，因而峰值压降U_Fp必是电流上升率di/dt的函数，di/dt越大，U_Fp也就越高。U_Fp中的阻性分量只在di/dt较小时才起主要作用。

 
  描述二极管开通过程的特征参数除了di/dt和U_Fp之外，还有一个被称作正向恢复时间的时间常数t_Fr。参照图1。t_Fr定义为正向电压从零经极大值U_Fp降至接近稳态压降的某个瞬时值所需要的时间。对于硅功率二极管，该瞬时值通常定为2V。跟功率器件的其他许多特性一样，结温升高会使导通过程的瞬态特性变坏，即t_Fr和U_Fp都会增大。开通之前的偏置状态对功率二极管的开通特性也有影响，轻度正向预偏置比反向预偏值对开通过程有利。
  当偏置电压由正向转为反向时，二极管也不能立即关断，而须经过一个短暂的时间周期之后才能重新获得反向阻断能力，进入关断状态，并在关断之前有显著的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。如前所述，这是正向导通时储存在pn结两侧的额外载流子造成的。
  P⁺n大功率二极管关断过程中的电流波形和电压波形如图2所示。从关断过程开始的时刻t_F起，正向电流I_F以速率di_F/dt下降，其值由开关电路的外电感L和反向偏置电压U_R决定，即  
这时，虽然加在二极管上的偏置电压已经反向，但管压降U_F暂无明显变化，即使在电流过零的时刻t₀也只有轻微下降，且仍为正向电压。事实上，只要n区额外空穴还保持着越靠近空间电荷区密度越高的态势，即沿p⁺n方向的额外空穴密度差∆p_n<0，则管压降的正极性就不会改变。这时，反向偏置电压U_R靠外电感L来支撑。但是，当空间电荷区附近的额外空穴即将抽尽，以致∆p_n<0时，管压降即变为负极性。这时，流经二极管的反向电流要靠离空间电荷区较远处的空穴来维持，而那些地方的空穴密度较低，因而在管压降极性改变之后即在∆p_n<0之后不久，反向电流即达到其极大值I_Rp，然后迅速下降。从反向电流达到极大值的时刻t₁开始，空间电荷区开始迅速展宽，于是该二极管重新获得对反向电压的阻断能力。由于时刻t₁的电流变化率di/dt=0，因而此时电路中电感的压降迅速下降至零，反向电压U_R即完全加在二极管上。然而在时刻t₁之后，由于反向电流的迅速下降又会在电感中产生一反向自感电动势，因而二极管电压并不停留在U_R上，而会发生反向过冲，并在时刻t₂附近电流变化率接近于零时过冲至极大值U_Rp，随后才由于自感电动势归零而下降至U_R。时间t_Rr=t₂-t₀。称为二极管的反向恢复时间。硅开关二极管的t_Rr一般在ns量级。
  将图2与图3相比会发现有两个明显的差别：一个是电流从正向到反向的过渡情况，另一个是电压从正向到反向的过渡情况。这种差别跟考虑问题的出发点有关。在本文中考虑的是正向导通时电流密度较大的功率二极管，其额外载流子的注入水平较高，电导调制效应非常明显，同时因di/dt较大还考虑了电路和器件本身的自感效应，而图3属于小注入情况。对小注入问题，电导调制效应和自感效应都可忽略。   大功率二极管的反向恢复特性要针对特定的温度、特定的正向电流I_F和正向电流下降率di_F/dt而言。按反向恢复特性的不同，大功率二极管分为阶跃二极管和软恢复二极管两种。图4a、b分别是这两种类型二极管的瞬态电流波形示意图。图中标注的参数S_r被称为恢复系数，定义为下降时间t_r=t₂-t₁与存储(延迟)时间t_s=t₁-t₀之比。由于di/dt越高则过冲峰值电压U_Rp越高，因而阶跃二极管在关断过程中的电压过冲问题比较严重。  
  为了提高pn结二极管对反向电压的承受能力，常常需要增加芯片厚度以保证高反压下不发生空间电荷区与电极的穿通。但是，厚度增加常常使二极管的动态特性变坏，而掺金等改善硅器件动态性的常用方法又会起降低耐压能力的反作用，因而硅pn结功率二极管的功率与频率难兼顾。采用pin结构可以用薄得多的硅片获得pn结构在硅片很厚时才能获得的高反压承受能力，因而能对功率与频率有较好的兼顾。
  理想的pin结构由不含任何杂质的本征材料层夹在p型掺杂层和n型掺杂层之间构成，但这实际上难以实现。工程上，理想的本征材料层或者用高阻n型材料层来代替，或用高阻p型材料层代替。由于半导体中电子的迁移率一般都高于空穴的迁移率，因而无论从频率特性还是从功率消耗方面考虑，大都选用高阻n型材料，做成p⁺n^-n⁺结构。这种pin二极管的内建电场主要集中在p⁺n^-界面附近。由于n^-层比p⁺层杂质浓度低得多，空间电荷区主要在n^-层展开。由于n^-层的中性区已是高阻区，其空间电荷区的电阻还要更高，因而这种二极管在热平衡状态下的阻抗很高。
  pin二极管正向偏置时，p⁺层和n⁺层分别向n^-层注入空穴和电子。这些注入载流子在n^-层的中性区一边扩散一边复合，为电源通过p⁺层和n⁺层源源不断注入新的载流子提供了保障，从而在n^-层中形成稳定的额外载流子分布，使之降低电阻进入低阻抗状态，并且注入电流越大阻抗越低。与此相反，反向偏置使n^-层的空间电荷区展宽，阻抗增大。足够高的反向电压还可使整个n^-层耗尽，甚至将空间电荷区进一步扩展到n⁺层。如果p⁺层和n⁺层的掺杂浓度足够高，则空间电荷区将局限在n^-层，起避免穿通的作用，因而pin二极管既能承受较高的反向电压，也能传导较大的正向电流。
 
 
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