快速軟恢復二極管

隨著電力電子技術的發展，各種變頻電路、斬波電路的應用不斷擴大，這些電力電子電路中的主回路不論是采用換流關斷的晶閘管，還是采用有自關斷能力的新型電力電子器件，如GTO，MCT，IGBT等，都需要一個與之并聯的快速二極管，以通過負載中的無功電流，減小電容的充電時間，同時抑制因負載電流瞬時反向而感應的高電壓。由于這些電力電子器件的頻率和性能不斷提高，為了與其關斷過程相匹配，該二極管必須具有快速開通和高速關斷能力，即具有短的反向恢復時間trr，較小的反向恢復電流IRRM和軟恢復特性。
　　在高壓、大電流的電路中，傳統的PIN二極管具有較好的反向耐壓性能，且正向時它可以在很低的電壓下就會導通較大的電流，呈現低阻狀態。然而，正向大注入的少數載流子的存在使得少子壽命較長，二極管的開關速度相應較低，為提高其開關速度，可采用摻雜重金屬雜質和通過電子輻照的辦法減小少子壽命，但這又會不同程度的造成二極管的硬恢復特性，在電路中引起較高的感應電壓，對整個電路的正常工作產生重要影響。
目前現狀
　　目前，國內快速二極管一般采用電子輻照控制少子壽命,其軟度因子在0.35左右，特性很硬。國際上快速二級管的水平已達到2500A/3000V，300ns，軟度因子較小。采用外延工藝制作的快恢復二極管的軟度因子較大（0.7），但它必須采用小方片串并聯的方式使用，以達到大電流、高電壓的目的。這樣做不僅增加了工藝的復雜性，而且使產品的可靠性變差。我國的外延工藝水平較低，尚停留在研究階段，成品率較低，相對成本較高；而采用電力半導體常規工藝制作的快恢復二極管的軟度因子較小。
工作原理及影響因素
　　恢復過程很短的二極管，特別是反向恢復過程很短的二極管稱為快速恢復二極管（Fast Recovery Diode）。高頻化的電力電子電路不僅要求快速恢復二極管的正向恢復特性較好，即正向瞬態壓降小，恢復時間短；更要求反向恢復特性也較好，即反向恢復時間短，反向恢復電荷少，并具有軟恢復特性。
開通特性
　　二極管的開通也有一個過程，開通初期出現較高的瞬態壓降，經過一定時間后才能處于穩定狀態，并具有很小的管壓降。這就是說，二極管開通初期呈現出明顯的“電感效應”，不能立即響應正向電流的變化。在正向恢復時間內，正在開通的二極管具有比穩態大的多的峰值電壓UFP。當正向電流上升率超過50A/s時，在某些高壓二極管中具有較高的瞬態壓降。這一概念在緩沖電路中的快速應用時顯得非常重要。
　　開通時二極管呈現的電感效應，除了器件內部機理的原因之外，還與引線長度、器件封裝采用的磁性材料等因素有關。電感效應對電流的變化率最敏感，因此開通時二極管電流的上升率diF/dt越大，峰值電壓UFP就越高，正向恢復時間也越長。
關斷特性
　　所有的PN結二極管，在傳導正向電流時，都將以少子的形式儲存電荷。少子注入是電導調制的機理，它導致正向壓降（VF）的降低，從這個意義上講，它是有利的。但是當正在導通的二極管突然加一個反向電壓時，由于導通時在PN結區有大量少數載流子存貯起來，故到截止時要把這些少數載流子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需要經過一段時間，這個過程就是反向恢復過程，發生這一過程所用的時間定義為反向恢復時間（trr）。值得注意的是在未恢復阻斷能力之前，二極管相當于處于短路狀態。
　　用軟化系數S（Softness factor）來描述反向恢復電流由最大值IRM消失的速率。反向恢復電流的下降速度dirr/dt是一個重要的參數。若dirr/dt過大，由于線路存在電感L，則會使反向峰值電壓URM過高，有時出現強烈振蕩，致使二極管損壞，可以用軟特性和硬特性的概念來表示dirr/dt對反向特性的影響。軟化系數S還可以表示為通過上式可以預測反向峰值電壓的幅值。其中，L為電路總電感URM即為二極管反向恢復時施加于有源器件的峰值電壓，其值一定要小于有源器件的電壓額定值，因此用di(rec)/dt表示軟度因子更有實用意義。耗盡儲存電荷所需的總的時間定義為反向恢復時間trr，作為開關速度的量度，它是選用二極管時的一個非常重要的參數，一般用途的二極管trr為25s左右，使用在整流以及頻率低于1kHz以下的電路中是可以的，但若用于斬波和逆變電路中，必須選用trr在5s以下的快速恢復二極管，在一些吸收電路中要求快開通和軟恢復二極管。
　　由軟度因子定義可知，它其實就是反映二極管在反向恢復的tb過程中基區少子因復合而消失的時間長短。所以，軟度因子與少子壽命控制方法、基區寬度和擴散濃度分布、元件結構及結構參數等有密切的關系。在空間電荷區擴展后的剩余基區內駐留更多的殘存電荷，并駐留更長的時間將提高軟度因子。
改善性能的方法
　　雖然PIN管具有良好的反向耐壓能力，但是由于其反向恢復特性較差，在反向恢復期間產生較大的反向峰值電壓，從而影響整個電路的正常工作；其次一個實際的PIN整流器，開通瞬間正向壓降幅值要比穩態壓降高一個數量級，該電壓峰值可以超過30V，這主要是由少子有限的擴散速度造成的，它與N基區材料電阻率及基區寬度有關。為了改善二極管的工作特性，在器件的設計與制作工藝上均采用了相關的技術。
　　譬如，少子壽命控制技術。由于少子壽命的變化及少子壽命的控制方法影響著快恢復器件的頻率特性和反向恢復軟度，因此少子壽命的控制技術就處于十分重要的地位。少子壽命控制技術按其特點可分為三種類型：常規型、重金屬摻雜型和電子輻射型。
　　常規型：常規型就是通過調整開關管的結構參數來達到控制少子壽命的目的，包括幾種方法：減小材料電阻率,雜質分布的控制,減薄基區厚度。
　　重金屬摻雜型：在二極管的制造過程中，有意識的選擇某種合適的深能級重金屬雜質擴散在半導體中，可以用來降低少子壽命，提高反向恢復軟度。常用的重金屬雜質有金、鉑、鈀等。
　　電子輻射型：它的特點是通過對電子注入劑量的調節能夠精確控制少子壽命，從而可以很好的協調器件諸電參數對少子壽命的不同要求，而且它可以在器件制造完成后進行，使制作過程簡單化、靈活化。
采用新結構
　　采用新的結構從而改善二極管的性能，例如采用理想歐姆接觸。傳統的PIN整流器在n-n+界面采用歐姆接觸只是對多子而言。由于n-n+高低結產生的內建電場的影響，對少子n-n+并不形成歐姆接觸結構。理想歐姆接觸就是一種可以使少子和多子均能順利通過的界面，它是由p+區和n+區相互嵌位構成的。在這種結構中，空穴經過p+通過界面，電子經過n+通過界面。這種結構可以采用傳統的選擇擴散方法得到，也可以采用肖特基接觸代替整個p+區，可以省去一次選擇擴散過程。
　　最近，在制作二極管的工藝過程中，將高電導率的非晶態硅、鍺、硼合金利用CVD法沉積在p型硅片上，作為理想接觸層，使二極管在正偏時具有低耗整流特性，偏時具有快速開關特性。具有理想歐姆接觸的二極管反向恢復時間可達60ns，更低的漏電流，使二極管可以在高溫下工作。
　　制作快速二極管的傳統方法是采用摻金、鉑或電子輻照來降低少子壽命而獲得，然而由于反向恢復時間、反向峰值電流及衰減速度、正向壓降等參數的相互制約限制了這種器件用于許多電力電子應用領域。故制作出一種反向恢復時間短、恢復時反向峰值電流小、且為軟恢復特性的高速二極管就顯得尤為重要。為此開發了不同結構的這種二極管，例如有；凹型階梯“陰極短路”結構帶輔助二極管的結構；陰極短路結構；自調節發射效率與理想歐姆接觸二極管（SIOD）等。
　　為了滿足芯片與底座間的電學和散熱的要求，要在二極管的兩端實現歐姆接觸。由于快速軟恢復二極管的陽極和陰極都具有復雜的結構和較淺的擴散深度，大功率器件的傳統歐姆接觸工藝——燒結工藝將會破壞這種結構及期望的性能。解決這一問題的方法是采用多層金屬的歐姆接觸工藝。二極管陽極與陰極采用多層金屬工藝來實現歐姆接觸是本課題的難點之一，也是重點之一。在現有的理論及實踐的基礎上，不斷完善其工藝流程，從而提高二極管的性能和成品率。