MLD结构快恢复二极管trr-T特性的理论分析(精)

第 26卷第 1期 2005年 1月

半导体学报

CHI NESE JOURNA L OF SE MIC ONDUCT ORS

V ol. 26 N o. 1

Jan. ,2005

3国家自然科学基金资助项目 (批准号 :69836010

潘飞蹊男 ,1970年出生 , 博士研究生 , 主要从事半导体器件及电路设计研究 .

陈星弼男 ,1931年出生 , 中国科学院院士 , 研究方向为器件物理 , 功率器件和 IC 设计 . 2003211228收到 ,2004203226定稿

2005中国电子学会

MLD 结构快恢复二极管 t rr 2T 特性的理论分析

3

潘飞蹊陈星弼

(电子科技大学微电子与固体电子学学院 , 成都 610054

摘要 :对少数载流子寿命横向非均匀分布 (minority 2carrier life time lateral non 2uniform distribution ,M LD 结构的快恢复二极管进行了理论研究 . 首先利用 M LD 二极管 n 型基区内部少数载流子在横向上的分布形态 , 给出了 M LD 结构提高快恢复二极管的反恢时间 2温度 (t rr 2T 稳定性的一个定性解释 , 然后利用“平均寿命” 对 M LD 二极管的 t rr 2T 特性进行了讨论 . 模拟结果证明了理论分析的正确性 . 关键词 :反恢时间 ; 温度稳定性 ; 平均寿命

PACC :2320C ; 7115; 7220J

中图分类号 :T N303文献标识码 :A 文章编号 :025324177(2005 0120126207

1引言

快恢复二极管作为一类重要的开关器件在各种

电子设备中使用广泛 . 作为双极器件 , 它存在着速度与功耗之间的矛盾 , 所有指标之间必须折中考虑进行优化 . 为了减小快恢复二极管反恢时间 t rr , 通常用掺金、掺铂和电子辐照的方法来缩短少子寿命 , 但这会相应地增大二极管的正向压降 V F 和反向漏电流 I R . 在文献 [1]中 ,T em ple 等提出了一种优化的纵向少子寿命分布结构 , 通过在器件基区中引入一层或多层平行于 pn 结面的薄的高复合区 , 来改善高速器件各项特性之间的兼容性 . 近年来 , 这种局部寿命控制的方法得到了广泛的关注 [2~5].

基于局部寿命控制的思想 , 在我们以前的研究工作中 , 提出了一种新的快恢复二极管结构 [6]:少数载流子寿命横向非均匀分布结构 (minority 2carrier life time lateral non 2uniform distribution ,M LD . 其基本思想如图 1所示 , 在二极管 n 型基区中引入横向非均匀分布的深能级杂质 , 使得二极管 n 型基区形成一种

由“ 短寿命区” (-a 1~0 和“ 长寿命区”

(0~a 2 相间隔组成的结构 . 和以前的方法不同 , 新结构中的局部

寿命控制区垂直于 pn 结面 . 对于这种新结构的快恢复二极管的特性 , 我们报道过相关研究结果 , 其中最为显著的是 , 和普通均匀掺入深能级杂质的快恢复二极管相比 , 新的快恢复二极管表现出非常良好的反恢时间 2温度 (t rr 2T 稳定特性 . 另一方面 , 这种新的快恢复二极管正向压降 2反恢时间 (V F 2t rr 兼容特性略差 , 并且反向漏电流大约大一个量级 [6].

本文在以前工作的基础上对 M LD 二极管的 t rr 2T 稳定特性进行了理论研究 . 首先利用少子分布形态在不同温度下的变化 , 给出了 M LD 二极管 t rr 2T 稳定特

性的一个定性解释 . 进一步 , 利用“ 平均寿命” 的概念对 M LD 二极管的 t rr 2T 特

性进行了讨论 , 并提出了 M LD 二极管基区中长、短寿命区宽度取值的优化原则 .

2理论分析及讨论

在我们以前报道的实验结果中 [6], 用反向恢复

时间随温度的变化比例η=t rr (100℃

/t rr (27℃来表征快恢复二极管的 t rr 2T 稳定特性 , 其中均匀掺 Pt 管的η值为3左右 , 均匀掺 Au 管的η值为 2左右 , 而掺 Pt 的 M LD 样管的η值仅为 114左右 , 掺 Au 的

M LD 样管的η值仅为 112左右 . 为了解释 M LD 结构

的这种效应 , 按以下的思路进行考虑 :普通快恢复二

极管的反恢时间取决于其基区内部小注入时的少子寿命 [7,8]. 对于 M LD 二极管 , 基区由“短寿命区” 和“ 长寿命区” 间隔组成 , 虽然并不存在统一的少子寿命 , 但是在宏观上可以用“平均寿命” 这一概念对两个区域内的少子复合率进行统一的描述 . 因此可以进一步认为 ,M LD 二极管的反恢时间取决于宏观上的“平均寿命” , 相应地 , 其 t rr 2T 稳定特性也可以用“ 平均寿命” 随温度的变化特性来进行解释 .

在此只考虑二维的情况 , 如图 1所示 , 取 M LD 二极管的一个结构单元来进行分析并建立坐标系 , 仅考虑小注入条件下的情况 , 并做如下简化假设 :

(1 近似地认为两个区域内的少子寿命是均匀的 . 由于少子的复合主要在“ 短寿命区” 内进行 , 因此设“ 短寿命区” 内的少子寿命为τ, 而“长寿命区” 内的少子寿命为无穷大 .

(2 “ 短寿命区” 和“长寿命区” 的宽度分别为 a 1

和 a 2, 并且结构单元是重复对称的 .

(3 不考虑深能级杂质掺入后对费米能级的影响

.

图 1 M LD 二极管的结构

Fig. 1 M LD diode structure

这里简化的假设同实际情况有一定差别 , 但是有利于分析的简化 . 采用以上假设条件后 , 通过求解