快速软恢复二极管

随着电力电子技术的发展，各种变频电路、斩波电路的应用不断扩大，这些电力电子电路中的主回路不论是采用换流关断的晶闸管，还是采用有自关断能力的新型电力电子器件，如GTO，MCT，IGBT等，都需要一个与之并联的快速二极管，以通过负载中的无功电流，减小电容的充电时间，同时抑制因负载电流瞬时反向而感应的高电压。由于这些电力电子器件的频率和性能不断提高，为了与其关断过程相匹配，该二极管必须具有快速开通和高速关断能力，即具有短的反向恢复时间trr，较小的反向恢复电流IRRM和软恢复特性。

在高压、大电流的电路中，传统的PIN二极管具有较好的反向耐压性能，且正向时它可以在很低的电压下就会导通较大的电流，呈现低阻状态。然而，正向大注入的少数载流子的存在使得少子寿命较长，二极管的开关速度相应较低，为提高其开关速度，可采用掺杂重金属杂质和通过电子辐照的办法减小少子寿命，但这又会不同程度的造成二极管的硬恢复特性，在电路中引起较高的感应电压，对整个电路的正常工作产生重要影响。

目前现状

目前，国内快速二极管一般采用电子辐照控制少子寿命,其软度因子在

0.35左右，特性很硬。国际上快速二级管的水平已达到2500A/3000V，300ns，软度因子较小。采用外延工艺制作的快恢复二极管的软度因子较大（0.7），但它必须采用小方片串并联的方式使用，以达到大电流、高电压的目的。这样做不仅增加了工艺的复杂性，而且使产品的可靠性变差。我国的外延工艺水平较低，尚停留在研究阶段，成品率较低，相对成本较高；而采用电力半导体常规工艺制作的快恢复二极管的软度因子较小。

工作原理及影响因素

恢复过程很短的二极管，特别是反向恢复过程很短的二极管称为快速恢复二极管（Fast Recovery Diode）。高频化的电力电子电路不仅要求快速恢复二极管的正向恢复特性较好，即正向瞬态压降小，恢复时间短；更要求反向恢复特性也较好，即反向恢复时间短，反向恢复电荷少，并具有软恢复特性。

开通特性

二极管的开通也有一个过程，开通初期出现较高的瞬态压降，经过一定时间后才能处于稳定状态，并具有很小的管压降。这就是说，二极管开通初期呈现出明显的“电感效应”，不能立即响应正向电流的变化。在正向恢复时间内，正在开通的二极管具有比稳态大的多的峰值电压UFP。当正向电流上升率超过50A/s时，在某些高压二极管中具有较高的瞬态压降。这一概念在缓冲电路中的快速应用时显得非常重要。

开通时二极管呈现的电感效应，除了器件内部机理的原因之外，还与引线长度、器件封装采用的磁性材料等因素有关。电感效应对电流的变化率最敏感，因此开通时二极管电流的上升率diF/dt越大，峰值电压UFP就越高，正向恢复时间也越长。

关断特性

所有的PN结二极管，在传导正向电流时，都将以少子的形式储存电荷。少子注入是电导调制的机理，它导致正向压降（VF）的降低，从这个意义上讲，它是有利的。但是当正在导通的二极管突然加一个反向电压时，由于导通时在PN结区有大量少数载流子存贮起来，故到截止时要把这些少数载流子完全抽出或是中和掉是需要一定时间的，即反向阻断能力的恢复需要经过一段时间，这个过程就是反向恢复过程，发生这一过程所用的时间定义为反向恢复时间

（trr）。值得注意的是在未恢复阻断能力之前，二极管相当于处于短路状态。

用软化系数S（Softness factor）来描述反向恢复电流由最大值IRM消失的速率。反向恢复电流的下降速度dirr/dt是一个重要的参数。若dirr/dt过大，由于线路存在电感L，则会使反向峰值电压URM过高，有时出现强烈振荡，致使二极管损坏，可以用软特性和硬特性的概念来表示dirr/dt对反向特性的影响。软化系数S还可以表示为通过上式可以预测反向峰值电压的幅值。其中，L为电路总电感URM即为二极管反向恢复时施加于有源器件的峰值电压，其值一定要小于有源器件的电压额定值，因此用di(rec)/dt表示软度因子更有实用意义。耗尽储存电荷所需的总的时间定义为反向恢复时间trr，作为开关速度的量度，它是选用二极管时的一个非常重要的参数，一般用途的二极管trr为25s左右，使用在整流以及频率低于1kHz以下的电路中是可以的，但若用于斩波和逆变电路中，必须选用trr在5s以下的快速恢复二极管，在一些吸收电路中要求快开通和软恢复二极管。

由软度因子定义可知，它其实就是反映二极管在反向恢复的tb过程中基区少子因复合而消失的时间长短。所以，软度因子与少子寿命控制方法、基区宽度和扩散浓度分布、元件结构及结构参数等有密切的关系。在空间电荷区扩展后的剩余基区内驻留更多的残存电荷，并驻留更长的时间将提高软度因子。

改善性能的方法

虽然PIN管具有良好的反向耐压能力，但是由于其反向恢复特性较差，在反向恢复期间产生较大的反向峰值电压，从而影响整个电路的正常工作；其次一个实际的PIN整流器，开通瞬间正向压降幅值要比稳态压降高一个数量级，该电压峰值可以超过30V，这主要是由少子有限的扩散速度造成的，它与N基区材料电阻率及基区宽度有关。为了改善二极管的工作特性，在器件的设计与制作工艺上均采用了相关的技术。

譬如，少子寿命控制技术。由于少子寿命的变化及少子寿命的控制方法影响着快恢复器件的频率特性和反向恢复软度，因此少子寿命的控制技术就处于十分重要的地位。少子寿命控制技术按其特点可分为三种类型：常规型、重金属掺杂型和电子辐射型。

常规型：常规型就是通过调整开关管的结构参数来达到控制少子寿命的目的，包括几种方法：减小材料电阻率,杂质分布的控制,减薄基区厚度。

重金属掺杂型：在二极管的制造过程中，有意识的选择某种合适的深能级重金属杂质扩散在半导体中，可以用来降低少子寿命，提高反向恢复软度。常用的重金属杂质有金、铂、钯等。

电子辐射型：它的特点是通过对电子注入剂量的调节能够精确控制少子寿命，从而可以很好的协调器件诸电参数对少子寿命的不同要求，而且它可以在器件制造完成后进行，使制作过程简单化、灵活化。

采用新结构

采用新的结构从而改善二极管的性能，例如采用理想欧姆接触。传统的PIN整流器在n-n+界面采用欧姆接触只是对多子而言。由于n-n+高低结产生的内建电场的影响，对少子n-n+并不形成欧姆接触结构。理想欧姆接触就是一种可以使少子和多子均能顺利通过的界面，它是由p+区和n+区相互嵌位构成的。在这种结构中，空穴经过p+通过界面，电子经过n+通过界面。这种结构可以采用传统的选择扩散方法得到，也可以采用肖特基接触代替整个p+区，可以省去一次选择扩散过程。