快恢复二极管软度参数的调整原理与相关计算

 1.前言
  随着GTR、VDMOS、IGBT等新型自关断功率器件在高频变换装置中的大量应用。作为配套使用的快恢复二极管的反向恢复特性越来越受到使用者关注。最初关注的仅是反向恢复时间trr，后来最关注的的是反向恢复过程中的软度因子tb/ta，而更进一步关心的是软度diR(rec)/dt。软度是图1 所示二极管反向恢复波形中tb期间反向恢复电流的衰减率。因为软度的强弱直接影响到恢复过程中产生尖峰电压的高低：

  式中L是开关电路中的电感。此尖峰电压VRM作用于和二极管相关联的GTR、VDMOS、IGBT，易导致这些器件承受过高的电压而损坏。
  快恢复二极管的软度因子和软度与快恢复二极管的结构参数和工艺参数有关。但在制造过程中，结构和工艺参数一定时，软度参数主要受复合中心物理特性的影响。因此本文的目的是通过不同的复合中心对软度参数影响的分析，找出一种较好的复合中心来协调快恢复二极管的软度参数，做出软度较软的快恢复二极管。  
  2.理论分析
  反向恢复第一阶段的恢复时间ta为： 式中τF、τR分别为大注入和小注入水平下载流子寿命；IF、IR分别为通过二极管的正向和反向电流。
  反向恢复第二阶段的恢复时间tb为： 式中：R为开关电路中的电阻，Ct为pn结势垒电容，若忽略RC1的影响，式（3）可简化为：   当IF=IR条件下，由式（2）、（4）可知，软度因子tb/tn主要与τR，τF及τR/τF比值有关。
  软度diR(rec)/dt是tb期间反向恢复电流从IR的最大值指数地衰减到0.1IR阶段中电流的衰减率。Tb期间反向恢复电流可简单表示为： 式中t2可参照图1所示的波形参数。Τ为时间常数： 对式（5）求导数，可得软度的表达式： 由式（6）和（7）可知，软度diR(rec)/dt亦是τR、τF的函数，并且亦与τR/τF比值有关。当τR一定时τR/τF的比值越大，tb越大，diR(rec)/dt的绝对值越小，即软度越软，软度因子tb/ta亦越大，二极管软度参数越好。
  τR/τF的比值是小注入载流子寿命与大注入载流子寿命的比值，不同注入水平下的载流子寿命表达式：
  小注入水平下载流子寿命用τLL表示： 式中Er为复合中心能级。 σp、σn分别为空穴电子的俘获截面，Utp、U1o分别为空穴和电子的热速率，Nt为复合中心密度。
  大注入载流子寿命用τHL表示： 当复合中心能级接近于禁带中心时，τLL≈τpo，因此可得τLL与τHL的比值：   要使τLL/τHL比值较大，选择的复合中心的σp/σn的比值应越小越好。常采用的复合中心有金、铂及电子辐照和Y辐照产生的复合中心，金的
；铂的；电子辐照能级；Y辐照能级中心。金的σp/σn=84.3；铂的σp/σn=84.4；电子辐照的σp/σn=5.35；Y辐照的σp/σn=2.39。从这些数据可见，Y辐照的中心能级σp/σn比值最小，对于获得理想的软度特性是最为有利的。其后依次是电子辐照掺铂和掺金二极管。
  
  3.实验结果
  为了验证以上的分析，对用同样结构参数、工艺参数制成的50A/1000V快恢复二极管样片，将其分为两组，一组进行掺金处理，通过掺金量和掺金温度和时间的控制，将此组样片进行Y辐照处理，辐照剂量为仑琴，由退火温度和时间的控制将该组样片的反向恢复时间trr亦控制在Zµs左右。
  然后在相同的测试条件下，方别测出两组样品的ta、tb、trr、tb/ta、diR(rec)/dt等参数。两组样品的测试参数分别列于表1和表2中。   从两个表中的结果比较可知，掺金快恢复二极管的软度因子tb/ta平均值只有0.6左右。而Y辐照快恢复二极管的软度因子在0.1以上。软度diR(rec)/dt参数，掺金样品平均值在100A/µs以上，而Y辐照样品平均值在60~70A/µs，Y辐照样品软度比掺金样品好得多，数量上相差近一倍。
  以上的结果说明了前面理论分析的正确性。快恢复二极管的软度参数和大注入载流子寿命τF及小注入载流子寿命τR都有关系，特别是它们的比值τR/τF的大小。而τR/τF的比值取决于复合中心的物理特性和物理参数σp/σn的比值，σp/σn比值越小的复合中心，可获得较大的τR/τF比值，对提高软度因子tb/ta有利，并可获得较好的软度diR(rec)/dt。
  这从快恢复二极管的反向恢复物理过程亦可得到解释，当大注入寿命τF相对小注入寿命较小时，tn的恢复过程将进行得较快，ta变短。由于τR的相对增加，使得tb的恢复过程将进行得较慢，tb时间增加，因而软度因子tb/tn增加。同理由于τR较大，在tb期间反向电流IR的衰减率将减低，软度提高。这说明在二极管结构工艺参数基本确定的情况下，用适当的复合中心去调整软度参数是可能的。但是值得注意的是，在工艺过程中会有各种不同能级的复合中心进入硅材料中，综合的复合效应会导致掺金二极管和Y辐照二极管的软度参数区别不大，体现不出某种复合能级的优越性。因此要使用某种复合中心去调节软度参数，必须注意硅材料含有害杂质的纯度，缺陷密度，注意工艺卫生，确保主要复合能级的作用。
 
  4.结论
  用优选适当的复合中心调整快恢复二极管的软度参数是可行的，但必须限制其他复合中心的密度。



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