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教你认识二极管

  • 2019-01-26 09:08:46

二极管在当今功率半导体中的作用总是被低估,在很多方面其作用是非常重要的。如今,生产厂商提供一系列适合于不同应用场合的二极管,这些二极管可以分为两大类:

1)直线二极管用于要求低导通损耗的设备,关断时di/dt和dv/dt比较小,这些运行条件不会使二极管承受高的动态应力,另外发生瞬变的可能性也不大。由于其对动态性能要求较低,直线二极管必须严格优化设计,使导通压降很小,即它有强发射极、尽可能的薄,使得载流子寿命尽可能长。直线二极管多用于整流电路,然而由于它的动态性能较差,不适宜用于DC-AC变换器。

2)快恢复二极管(FRD)适用于需要高速开关的设备中。设计这种二极管对研发工程师是一个考验,可接受的导通电压和好的动态性能是矛盾的,他们必须找到两者的一个最优组合(即高的最大额定功率、低的瞬变可能性和低的关断能量Err)。

受精力所限,本文将只介绍快恢复二极管的部分内容。首先,简单讨论适于所有快恢复二极管的通用设计准则,然后详细介绍最常用的FRD结构。

 

所有快恢复二极管的通用属性

1)在阳极附近,等离子水平必须比较浅,这样即使高的换流di/dt产生的反向电流峰值也不大。

2)为了使通态压降在合理的范围内,避免反向电流峰值的瞬变,n-区域中间的载流子浓度不应该降的太低。

3)阴极侧,等离子浓度应该相对比较高,这样二极管在尾部才不至于发生瞬变。然而,必须注意等离子浓度也不能太高,这样无益于软恢复特性的多余电荷会增加不必要的关断损耗。

根据推理,一个普通的强发射极pin二极管无法满足快恢复二极管的载流子分布要求。相反,自然状态的载流子分布是与所需情况相悖的:阳极载流子浓度较高,阴极相对较低(见下图)。于是,工程师们必须使用各种方法来调制等离子形状,这也衍生出了众多的概念上不同的FRD设计方案。

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有轴向载流子寿命分布的二极管

如今最流行的等离子分布调制方案是在轴向方向的特定部位减少载流子寿命。开始时,选择的是有强发射极的pin二极管,对于快恢复二极管这是一个比较差的等离子分布。为了提高动态性能,二极管被高能粒子流照射,或者用重金属扩散,如金或铂。下图展示了这类二极管典型的载流子寿命方案。

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下面来简单讨论一下最常用的载流子寿命减少方法

1、氢、氦植入

利用粒子加速器将氢、氦原子核植入器件。选择合适的能量,就可以植入到需要的深度,精确到μm。在植入轨迹上载流子寿命逐渐减少,在原子停止运动的地方载流子寿命最短。上图描绘了一个在两种不同能量的氢氦植入的典型轴向载流子寿命剖面图。这类载流子寿命剖面图会产生所需要的从阴极到阳极逐渐减少的等离子分布形状。

氢和氦会在硅内部产生非常相似的损害,一个明显的差别是氢产生寄生施主中心(n掺杂),而氦完全不会产生施主或受主中心。因此当把氢植入n-区域时需特别注意,这可能会减弱管子的阻断能力。氢的一个优点是可以用标准加速器植入到一个比氦更大的深度中,由于氦原子较重,即使用功率较大的加速器,也最多只能植入约100~150μm。

如同其他重组型寿命减少技术一样,氢氦会产生发射中心,这会导致二极管反向偏置漏电流的增加。幸好发射效应比较小,对漏电流的影响可以接受。

典型的氢的注入量为1011~1013cm-2,氦的注入量要大约低一个数量级,因为氦比氢重。

2、电子照射

电子照射的方法一般用于轴向上的复合载流子寿命均匀减少。选择电子是因为它的质量小,在低的照射能量下就能穿过整个器件。

均匀轴向寿命减少的目的是调整储存电荷Qrr到要求值,并通过减小开关能量密度来减小反向电流峰值Irr,一般也会使二极管变得更耐用。不过也有负面影响,载流子寿命减少则W/L率升高,等离子层变得更浅,特别是向着二极管中部的方向。这导致前向压降增大和瞬变几率增加。而且,高的电子注入量会显著增大反向偏置漏电流。

例如,一个1200V二极管的典型电子注入量约为10~100kGy(1~10MRad)。

3、重金属扩散

轴向载流子寿命方案也可以通过扩散重金属获得,一般采用金或铂,从阳极注入整个二极管。这些金属产生接近于中间能带的状态,得到的轴向载流子寿命方案不如氢氦植入的方案那样定义严密。

比起氢氦植入,重金属扩散的一个缺点在于依赖于重组寿命的温度。温度越低,比起氢氦植入来说,重金属扩散更活跃。因而,二极管前向电压降的温度系数是负的,而氢氦植入有一个中性的或正的温度系数。负温度系数是不受欢迎的,因为它会造成束流效应和过热点,导致动态耐用性的下降。从好的一方面说,重金属扩散的二极管在低操作温度下发生瞬变的可能性较小,这可以归结为低温下重组效率的增强。

“金”作为扩散金属的一个具体缺陷是:中心原子离中间能带过近,从而需要大幅减少生成寿命来获得理想的复合效果,这会导致漏电流的增大。因此金扩散仅仅使用在反向漏电流不重要的场合。