软恢复二极管新进展

软恢复二极管新进展——扩散型双基区二极管

张海涛张斌（清华大学电力电子厂）

（北京1021信箱402室，北京 102201）

摘要：本文介绍了一种采用扩散型双基区结构的快速软恢复二极管。二极管基区由传统的轻掺杂衬底基区N- 与扩散形成的较重掺杂的N区（缓冲基区）两部分组成。实验结果表明，该二极管的反向恢复软度因子提高到了1.0左右，较传统的PIN二极管有了较大改善。

关键词：二极管快速软恢复

New Development of Soft Recovery Diode：

Diode with Double Base Regions by the Diffusion

Zhang Haitao, Zhang Bin

(Power Electronics Factory of Tsinghua University)

( P. O. Box. 1021, Beijing, China, Post Code: 102201)

Abstract: This paper introduces a fast and soft recovery diode with double 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 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 conventional PIN diode.

Key words: diode, fast, soft recovery

1 引言

广泛应用于功率电路中的PIN二极管具有较高的反向耐压，而且在通过正向大电流密度的情况下，由于基区电导调制效应，正向压降较小。为了提高耐压，传统PIN二极管采用深扩散缓变结构，造成关断前存在着大量存贮电荷使得反向恢复时间延长；为了减小压降，这种高压二极管通常又需要设计成基区穿通结构，以减薄基区，从而使得反向恢复特性更硬，越来越不适应电力电子技术的发展。为了缩短二极管的反向恢复时间，提高反向恢复软度，同时使得二极管具有较高的耐压，在传统PIN二极管的基础上，增加一个N型缓冲基区是一个较好的解决办法。即二极管的基区由基片的轻掺杂N —衬底区及较重掺杂的N区

组成。

国外设计的二极管当中，也有采用双基区结构的，但其N缓冲基区的形成均是采用外延工艺实现[1]。由于我室没有外延设备，国内虽有外延设备，但高阻厚膜外延的目前水平尚难满足大功率二极管的要求，因此我们决定尝试利用传统扩散工艺制作N缓冲基区结构，以期达到提高二极管反向恢复软度的目的。

2 快恢复二极管的反向恢复分析

2.1 反向恢复过程分析

反向恢复过程短的二极管称为快恢复二极管（Fast Recovery Diode）。高频化的电力电子电路要求快恢复二极管的反向恢复时间短，反向恢复电荷少，并具有软恢复特性。

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。但是当在导通的二极管上加反向电压后，由于导通时在基区存贮有大量少数载流子，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）。图1为二极管反向恢复过程的电流和电压波形示意图。

图1 二极管反向恢复电流和电压波形示意图

其中，IRM为反向恢复峰值电流，VRM为反向峰值电压，QR为反向恢复电荷，trr为反向恢复时间，这几个参数是器件设计及应用中十分重要的参数。

从时间t=tf开始，已经导通的二极管加反向电压VR，原来导通的正向电流IF以diF/dt的速率减小。这个电流变化率由反向电压和开关电路中的电感决定，并且外加反向电压的绝大部分降落在电路电感上。即

（1）

当t=t0时，二极管中的电流降至0。在这之前二极管处于正向偏置，电流为正向电流。在t0时刻后，正向压降稍有下降，但仍处于正向偏置，电流开始反向流通，形成反向恢复电流irr。

t0到t1称为少数载流子存储时间ta，这期间，一部分内部储存电荷通过反向被快速抽出，二极管反向电流从零上升至其峰值IRM，PN结电压则略有一些减小但仍是正向的。由于二极管上的低电压，ta期间二极管上功率损耗很小。然而，开关器件中的功率耗散很高，这是因为功率开关器件在承受电路满电压的同时，还承载了全部的二极管反向电流，而ta期间二极管的反向电流是相当大的。

在t>t1之后，空间电荷区开始建立，少数载流子通过复合而消失，反向恢复电流迅速下降，下降速率为dirr/dt，在线路电感中产生较高的电动势，这个电势与电源电压一起加在二极管及与其反并联的功率开关器件上，所以二极管及功率开关器件承受很高的反向电压VRM。从t1到t2这段时间称为复合时间tb，测试标准规定，t2由电流在0.9IRM与0.25IRM处的连线在时间轴上的交点决定。从t0到t2这段时间称为反向恢复时间trr，tb与ta之比即为二极管的软度因子S。可见，t1之后二极管基区剩余越多的少数载流子，即复合时间tb越长，二极管的软度因子就越大。

2.2 反向恢复参数分析

通常用软度因子S（Softness factor）来描述反向恢复的软硬特性：

（2）

反向恢复电流的下降速度dirr/dt也是一个很重要的参数。若dirr/dt过大，由于线路存在电感L，则会使反向峰值电压VRM过高，有时出现强烈振荡，致使二极管或开关器件损坏。VRM与dirr/dt的关系如下。

(3)

其中，L为电路总电感，VL附加感生电势。

可以推导出dirr/dt、VRM、IRM 及QR与软度因子S的关系如下：

（4）

（5）

（6）