要本文介紹了一種采用擴散型雙基區(qū)結(jié)構(gòu)的快速軟恢復(fù)二

1、摘 要：本文介紹了一種采用擴散型雙基區(qū)結(jié)構(gòu)的快速軟恢復(fù)二極管。二極管基區(qū)由傳統(tǒng)的輕摻雜襯底基區(qū)N- 與擴散形成的較重?fù)诫s的N區(qū)（緩沖基區(qū)）兩部分組成。實驗結(jié)果表明，該二極管的反向恢復(fù)軟度因子提高到了1.0左右，較傳統(tǒng)的PIN二極管有了較大改善。  關(guān)鍵詞：二極管 快速 軟恢復(fù)            New Development of Soft Recovery Diode：  

2、0;   Diode with Double Base Regions by the Diffusion      Zhang Haitao, Zhang Bin      （Power Electronics Factory of Tsinghua University）    

3、0; （ P. O. Box. 1021, Beijing, China, Post Code: 102201）            Abstract: This paper introduces a fast and soft recovery diode with double

4、60;base regions by diffusion. The base design of the diode consists of two regions: conventional lightly doped substrate N and a more heavily doped region N （buffering

5、60;region） by the diffusion. The results of test indicate that the reverse recovery softness of the diodes is increased to about 1.0, and is more improved than the&#

6、160;conventional PIN diode.      Key words: diode, fast, soft recovery            1 引 言            廣泛應(yīng)用于功率電路中的PIN二極管具有較高的反向耐壓，而且在通

7、過正向大電流密度的情況下，由于基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，正向壓降較小。為了提高耐壓，傳統(tǒng)PIN二極管采用深擴散緩變結(jié)構(gòu)，造成關(guān)斷前存在著大量存貯電荷使得反向恢復(fù)時間延長；為了減小壓降，這種高壓二極管通常又需要設(shè)計成基區(qū)穿通結(jié)構(gòu)，以減薄基區(qū)，從而使得反向恢復(fù)特性更硬，越來越不適應(yīng)電力電子技術(shù)的發(fā)展。為了縮短二極管的反向恢復(fù)時間，提高反向恢復(fù)軟度，同時使得二極管具有較高的耐壓，在傳統(tǒng)PIN二極管的基礎(chǔ)上，增加一個N型緩沖基區(qū)是一個較好的解決辦法。即二極管的基區(qū)由基片的輕摻雜N 襯底 區(qū)及較重?fù)诫s的N區(qū)組成。        &#

8、160;   國外設(shè)計的二極管當(dāng)中，也有采用雙基區(qū)結(jié)構(gòu)的，但其N緩沖基區(qū)的形成均是采用外延工藝實現(xiàn)1。由于我室沒有外延設(shè)備，國內(nèi)雖有外延設(shè)備，但高阻厚膜外延的目前水平尚難滿足大功率二極管的要求，因此我們決定嘗試?yán)脗鹘y(tǒng)擴散工藝制作N緩沖基區(qū)結(jié)構(gòu)，以期達(dá)到提高二極管反向恢復(fù)軟度的目的。            2 快恢復(fù)二極管的反向恢復(fù)分析            

9、;2.1 反向恢復(fù)過程分析      反向恢復(fù)過程短的二極管稱為快恢復(fù)二極管（Fast Recovery Diode）。高頻化的電力電子電路要求快恢復(fù)二極管的反向恢復(fù)時間短，反向恢復(fù)電荷少，并具有軟恢復(fù)特性。      所有的PN結(jié)二極管，在傳導(dǎo)正向電流時，都將以少子的形式儲存電荷。少子注入是電導(dǎo)調(diào)制的機理，它導(dǎo)致正向壓降（VF）的降低，從這個意義上講，它是有利的。但是當(dāng)在導(dǎo)通的二極管上加反向電壓后，由于導(dǎo)通時在基區(qū)存貯有大量少數(shù)載流子，故到截止時要把這些少數(shù)載流子

10、完全抽出或是中和掉是需要一定時間的，即反向阻斷能力的恢復(fù)需要      其中，IRM為反向恢復(fù)峰值電流，VRM為反向峰值電壓，QR為反向恢復(fù)電荷，trr為反向恢復(fù)時間，這幾個參數(shù)是器件設(shè)計及應(yīng)用中十分重要的參數(shù)。      從時間t=tf開始，已經(jīng)導(dǎo)通的二極管加反向電壓VR，原來導(dǎo)通的正向電流IF以diF/dt的速率減小。這個電流變化率由反向電壓和開關(guān)電路中的電感決定，并且外加反向電壓的絕大部分降落在電路電感上。即      （1）&#

11、160;     當(dāng)t=t0時，二極管中的電流降至0。在這之前二極管處于正向偏置，電流為正向電流。在t0時刻后，正向壓降稍有下降，但仍處于正向偏置，電流開始反向流通，形成反向恢復(fù)電流irr。      t0到t1稱為少數(shù)載流子存儲時間ta，這期間，一部分內(nèi)部儲存電荷通過反向被快速抽出，二極管反向電流從零上升至其峰值IRM，PN結(jié)電壓則略有一些減小但仍是正向的。由于二極管上的低電壓，ta期間二極管上功率損耗很小。然而，開關(guān)器件中的功率耗散很高，這是因為功率開關(guān)器件在承受電路滿電壓的同時，還承載了全部的二極管

12、反向電流，而ta期間二極管的反向電流是相當(dāng)大的。      在t>t1之后，空間電荷區(qū)開始建立，少數(shù)載流子通過復(fù)合而消失，反向恢復(fù)電流迅速下降，下降速率為dirr/dt，在線路電感中產(chǎn)生較高的電動勢，這個電勢與電源電壓一起加在二極管及與其反并聯(lián)的功率開關(guān)器件上，所以二極管及功率開關(guān)器件承受很高的反向電壓VRM。從t1到t2這段時間稱為復(fù)合時間tb，測試標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定， t2由電流在0.9IRM與0.25IRM處的連線在時間軸上的交點決定。從t0到t2這段時間稱為反向恢復(fù)時間trr，tb與ta之比即為二極管的軟度因子S?？梢姡瑃1之后二

13、極管基區(qū)剩余越多的少數(shù)載流子，即復(fù)合時間tb越長，二極管的軟度因子就越大。            2.2 反向恢復(fù)參數(shù)分析      通常用軟度因子S（Softness factor）來描述反向恢復(fù)的軟硬特性：      （2）      反向恢復(fù)電流的下降速度dirr/dt也是一個很重要的參數(shù)。若dirr/dt過大，由于線路存

14、在電感L，則會使反向峰值電壓VRM過高，有時出現(xiàn)強烈振蕩，致使二極管或開關(guān)器件損壞。VRM與dirr/dt的關(guān)系如下。      （3）      其中，L為電路總電感，VL附加感生電勢。      可以推導(dǎo)出dirr/dt、VRM、IRM 及QR與軟度因子S的關(guān)系如下：            由式37可見，提高二極管的軟度因子S，可以顯

15、著減小反向恢復(fù)的dirr/dt、IRM及VRM。例如，對于相同的反向恢復(fù)時間trr，如果軟度因子S由目前的0.3提高到1.0，則dirr/dt和附加感生電勢VL可以降低70%，IRM和QR可以降低35%，這將大大提高功率器件及電路的可靠性與穩(wěn)定性。            2.3 軟度因子的影響因素      由軟度因子定義可知，它其實就是反映二極管在反向恢復(fù)的tb過程中基區(qū)少子因復(fù)合而消失的時間長短。所以，軟度因子與少子壽命控制方法、基

16、區(qū)寬度和擴散濃度分布、元件結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)參數(shù)等有密切的關(guān)系。在空間電荷區(qū)擴展后的剩余基區(qū)內(nèi)駐留更多的殘存電荷，并駐留更長的時間將提高軟度因子。           2.4 提高軟度因子的主要方法      提高軟度因子主要從兩方面著手，一是選擇合適的少子壽命控制方法。在諸多少子壽命控制方法中，擴金器件的軟度因子較大，但漏電流大，高溫特性差；而電子輻照器件軟度因子最小，但高溫特性好。因此需要根據(jù)實際情況，權(quán)衡利弊，折中考慮。二是在二極管的結(jié)構(gòu)設(shè)計上做文

17、章，能夠提高軟度因子的二極管結(jié)構(gòu)有多種，如自調(diào)節(jié)發(fā)射效率結(jié)構(gòu)、凹形階梯陰極短路結(jié)構(gòu)、輔助二極管結(jié)構(gòu)、外延二極管結(jié)構(gòu)及外延雙基區(qū)結(jié)構(gòu)等。其中效果最為顯著的是具有外延雙基區(qū)雙基區(qū)結(jié)構(gòu)的二極管。            3 雙基區(qū)二極管的結(jié)構(gòu)及工作原理            雙基區(qū)二極管主要特點是它的基區(qū)由N區(qū)和N區(qū)兩部分組成，N是原始硅片的輕摻雜襯底區(qū)，N區(qū)則為較重?fù)诫s區(qū)，摻雜濃度高于N區(qū)，但

18、遠(yuǎn)低于N+區(qū)。我們稱N基區(qū)為緩沖基區(qū)或緩沖層。N區(qū)通常用外延方法獲得，我們?yōu)闂l件所限，采用了傳統(tǒng)的擴散方法制作。      雙基區(qū)結(jié)構(gòu)可以顯著改善二極管的軟度，這是由于緩沖層的雜質(zhì)濃度高于襯底的濃度，在反向恢復(fù)過程中使得耗盡區(qū)到達(dá)緩沖層后擴展明顯減慢。這樣，經(jīng)過少數(shù)載流子存儲時間之后，在緩沖層中還有大量的載流子未被復(fù)合或抽走，使得復(fù)合時間相應(yīng)增加，從而提高了二極管的軟度因子。為此，有兩個條件需要滿足：一是二極管的N基區(qū)必須足夠窄，以保證額定電壓下的空間電荷區(qū)展寬能夠進(jìn)入緩沖層；二是緩沖層的濃度應(yīng)適宜，濃度不宜過高，以保證緩沖層具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，

19、但也不宜過低，以保證空間電荷區(qū)不會穿通緩沖層。      二極管的陽極則由輕摻雜的P區(qū)與重?fù)诫s的P區(qū)鑲嵌組成，該PP結(jié)構(gòu)可以控制空穴注入效應(yīng)，從而達(dá)到控制自調(diào)節(jié)發(fā)射效率和縮短反向恢復(fù)時間的目的。P區(qū)和P區(qū)的雜質(zhì)濃度及結(jié)深主要考慮保證二極管不僅具有足夠的反向阻斷能力，而且在低電流密度下空穴注入效率低，大電流密度下才有高注入效率。低的空穴注入效率使陽極側(cè)注入載流子濃度下降，轉(zhuǎn)入阻斷狀態(tài)時，PN結(jié)處較早夾斷，在規(guī)定電流換向速度di/dt下，反向峰值電流小，同時，由于基區(qū)中性部分仍有較多載流子存在，使軟度因子得到改善。二極管的陰極則與一般二極

20、管相同，由重?fù)诫s的N+區(qū)構(gòu)成。      4 實驗方案及工藝流程      為便于實驗比較，我們主要設(shè)計了4種實驗方案：結(jié)構(gòu)上分為雙基區(qū)結(jié)構(gòu)的二極管和普通結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)PIN二極管2種；少子壽命控制方法分為擴金和電子輻照2種。如此產(chǎn)生4種組合方案。4種方案采用了電阻率和片厚完全相同的原始硅片，除了傳統(tǒng)PIN二極管沒有N緩沖層外，其余的P、P+、N+等的擴散濃度和結(jié)深、以及工藝過程都完全一樣，最終片厚也一樣。   5 實驗結(jié)果   

21、   對上述4種方案進(jìn)行了實驗，并將實驗結(jié)果進(jìn)行了測試比對。測試條件如下：      在正向峰值電流IFM1000A的條件下測試正向峰值壓降VFM；在正向電流IFM80A，反向電壓VR100V，正向電流下降速率diF/dt40A/s的條件下測試反向恢復(fù)時間trr以及反向峰值恢復(fù)電流IRM；并分別于室溫及150下測試反向重復(fù)峰值電壓VRRM=2000V下的漏電流IRRM。測試結(jié)果如表1所示，表中數(shù)據(jù)為多個樣品所測數(shù)據(jù)的平均值，編號代表不同結(jié)構(gòu)與工藝的分類號，其含義如下：      1 雙基區(qū)結(jié)構(gòu)二極管，擴金控制少子壽命；      2 雙基區(qū)結(jié)構(gòu)二極管，電子輻照控制少子壽命；      3 傳統(tǒng)PIN二極管，擴金控制少子壽命；      4 傳統(tǒng)PIN二極管，電子輻照控制少子壽命。      從表1的數(shù)據(jù)可以看出，雙基區(qū)二極管（表中1、2類）較傳統(tǒng)PIN二極管（表中3、4類）具有較小的反向