快恢复二极管的反向恢复特性及其优化

随着电力电子技术的发展，各种开关电源、PWM脉宽调制器、变频器、斩波器等电子电路的应用不断扩大，这些电子电路中的主回路，无论是采用了晶闸管，还是VDMOS、IGBT、GTO等新型电子器件，都需要一个与之并联的快速二极管，以减少电容的充电时间，提供负载的无功电流通道，同时抑制因负载电流瞬间反向而感应的高电压。由于这些电子器件的频率和性能不断提高，要求与之匹配的二极管必须具备恢复时间短，反向恢复电流小和软恢复等特点。而快恢复二极管(FRD)因具备上述特点而被广泛应用。本文简要介绍快恢复二极管的反向恢复过程，及基于TCAD软件工具采取一系列方法优化恢复二极管的反向恢复，使其能够实现快速而软的恢复。

快恢复二极管的反向恢复

• 反向恢复过程

所有的PN结二极管，在传导正向电流时，都以少数载流子的形式存储电荷。少子的注入引起的电导调制效应可降低通态电压(V_F),从这个意义讲，它对二极管是有益的。但是当正在导通的二极管突然加一反向电压时，由于二极管内存有大量的少子，故在二极管截止前，需要一段时间将这些少子全部中和或抽出，这个过程就是反向恢复过程，所需的时间就是反向恢复时间(t_rr)。

反向恢复的全过程可分为五部分，如图1所示。在时间t₀之前，快恢复二极管处于正向导通状态，空穴向基区N^-扩散，电子由N^-区向P⁺区扩散，此过程二极管内存储大量的少数载流子。

t₀-t₁(电流下降过程)：当t₀时，快恢复二极管被加上反向电压V_R。此时P⁺N^-结的N^-区存在的大量少数载流子依然向阴极方向扩散，且浓度大于由N^-区往P⁺区抽出和复合消失的少数载流子浓度，故电流依然保持正向流动的方向(只分析了N^-区的少子，P⁺区的少子同理)。随着N^-区边缘的少数载流子浓度愈来愈小，电流虽保持正向流动的方向，但其值在以di/dt的速度逐渐减小(di/dt的大小由反向电压V_R，电路的电感系数及电路结构决定)。直至t₁时，N^-区边缘的少子扩散浓度与基区N-区向P⁺区漂移的少子浓度相持平，此时电流开始反向。

t₁-t₂(电荷存储过程)：N-区边缘的空穴继续被抽出和复合掉。直至时间t₂时，空穴的浓度低于N^-区热平衡值(总的热载流子浓度为零)，致使电压开始反向开始形成耗尽层。

t₂-t₃(电压上升过程)：耗尽层形成以后，加剧漂移区的过剩载流子的抽取，且反向电压以dv/dt的速度增大。随着电压不断增大，耗尽层宽度越来越大，直到电压达到外加电压V_R时(di/dt=0)，电流到达最大I_pr。

t₃-t₄(感应过程)：电流达到最大值I_pr后，则以di_R/dt的速度衰减，在感性负载的影响下，反向电压将进一步增加直至t=t₄时。此时恢复电压达到最大值V_pr，同时二极管的耗尽层也达到最宽。

t₄-t₅(恢复过程)：电压的回降使得耗尽层随之变窄，到t₅时电压和耗尽层宽度基本下降到稳定值，电流达到漏电流。而反向恢复失效往往发生在此过程。

图1：反向恢复特性。                        图2：反向恢复载流子分布变化。

反向恢复过程的失效主要是电流硬恢复造成的电压过冲和大幅度振荡;或者因为器件结构不均匀和恢复过软发生动态雪崩击穿。

当N⁺N^-结的过剩载流子浓度比较小时，恢复将会比较硬。尤其当耗尽层延伸到N⁺区域时，过剩载流子很少的状况将引起反向恢复电流急剧减小(di_rr/dt很大)。根据式(1)可以看出，若di_rr/dt很大将引发较高的电压尖峰(如图4所示)，这对电路非常不利。为避免此现象发生，必须提高二极管的反向恢复软度。

然而若恢复过软则会引起动态雪崩击穿。当大量的载流子存在时(Jp较大)，在计算N_eff就不能忽略J_p。根据式(2)、式(3)可以看出若过剩载流子越多，J_p越大，从而dE/dx越大，发生动态雪崩的电压越小(图3)。所以为避免动态雪崩的发生，恢复不宜过软。

图3：动态雪崩的电压。                                       图4：snappy现象。

为避免反向恢复出现snappy现象(如图4所示)和动态击穿，二极管设计时，需采取一些措施改进二极管的反向恢复特性。

反向恢复特性的优化

优化反向恢复的基本出发点：P⁺N^-结处的过剩载流子较少，且N⁺N^-结附近能提供大量过剩载流子来支持反向恢复电流，防止过剩载流子枯竭,使得电流迅速减小到零,形成刚性关断。以下将介绍一些能够使二极管满足此要求的方法，并利用TCAD软件进行仿真验证。所采用的结构为外延片结构如图5所示，并结合如图6所示的电路进行仿真。在t=t₀时，开关打开，二极管由导通进入反向恢复状态。以下对采用的方法一一介绍。

图5：二极管剖面结构。                                        图6：仿真电路图。

• 降低正面发射效率

过剩载流子在二极管中的分布形态，对二极管的软反向恢复至关重要。理想的过剩载流子分布如图2所示，即N⁺N^-结处过剩载流子过盈程度强于P⁺N^-结，载流子浓度呈递增趋势。相反，若P⁺N^-结处存有大量的过剩载流子，反向恢复时需花较多时间抽出和复合掉过剩载流子，在这段多出的时间内，N⁺N^-结处，电子从N⁺端被抽取的情况亦发生了，二极管的两端有可能均形成了耗尽层，甚至发生双边穿通现象。而N⁺N^-处空穴浓度的减小，势必严重影响二极管的恢复软度。可通过降低正面发射效率避免此类现象的发生。降低正面发射效率的几种方法如下：

• 降低正面P⁺浓度降低，减小结深变小。降低正面P⁺浓度、宽度可以使P⁺N^-结处过剩载流子浓度显著降低，反向恢复时P⁺N^-结处的过剩载流子很快被抽取和中和掉，耗尽层容易向N⁺区方向延伸。避免了双边均耗尽的情况发生。利用TCAD软件，只改变图5结构的阳极P⁺浓度，可以验证出：随着阳极P⁺的浓度降低，最大反向恢复电流和电压均减小(图7所示)。图8则是P⁺区的结深分别为4μm与8μm的两种结构的仿真结果。结深为8μm的软度明显比结深为4μm差。

表1：不同浓度的反向恢复电流值和电压值。

图7：不同的p+浓度反向恢复特性。                                              图8：不同的p+结深反向恢复特性。

• 在发射区进行局域寿命控制。流过PN结的电流分为从PN区注入N区的空穴电流和从N区注入P区的电子电流。电子电流的大小取决于P区内PN结附近的扩散电流，而扩散电流的大小取决于少子浓度梯度。在P⁺区进行局域寿命控制，减小P⁺区的少数载流子的寿命。导通时，P⁺区内P⁺N^-结边缘的少子的浓度梯度增大，使得流过P⁺N结的电子电流成分增加，降低了空穴电流的比例，即降低了空穴的发射效率。此手段是一种通过寿命控制达到降低发射效率的方法。

• 阳极采用重浓度的P⁺与轻浓度的P^-镶嵌组成。阳极采用重浓度的P⁺与轻浓度的P^-镶嵌的结构(如图9所示)，可以降低发射效率。其原理：由P^-与P⁺面处的浓度差引起的高低浓度扩散电位，使得空穴发生横向漂移，由P^-区流出，从而阻碍空穴朝阴极方向偏移。合理地控制P^-区的宽度和P⁺区的面积，可使电流达到某一值前，阳极有较低的空穴注入效率,而大于此电流值时则有高的空穴注入效率。

• 适当增加N^-区宽度和掺杂浓度

对于耐压不同的二极管需先选取合适的N^-厚度以及电阻率。N^-区宽度W_d应满足大于反向恢复过程中所出现的最大耗尽层宽度(既V=V_pr时)的条件,以避免耗尽层延伸到N⁺区，产生snappy关断现象。然而N^-区的宽度过大，必将带动正向压降(V_F)升高。对于要求有较低正向压降(V_F)的二极管，N^-区的厚度不易取过大。

图11是N^-区的厚度分别为50um与60um的两种结构的仿真结果。厚度为50um厚度的软度明显比厚度为60um差。图12则是N^-区为两种不同电阻率的仿真结果。

• 控制载流子寿命

可以通过一些技术手段(如电子辐射、金属扩散等)控制二极管的轴向载流子寿命区，当P⁺N^-结处寿命较低，而N⁺N^-结处寿命较高时，便可实现软恢复过程。其机理：当P⁺N^-结处寿命较低，则在反向恢复时，过剩载流子将快速复合。而N⁺N^-结处的过剩载流子浓度大，使得在恢复时，有足够多的过剩载流子支持软恢复。但是N⁺N^-结寿命不宜过长，否则将引起长时间的拖尾电流，从而增大开关损耗。尤其高频电路中，这种情况必须杜绝发生。

图13：短寿命区在P+N-结处的反向恢复特性。

图14：寿命控制区位于N-区的反向恢复特性。

图15：寿命控制区位于N+N-结处的反向恢复特性。

• 加入缓冲层

在N⁺与N^-中间加入N型缓冲层。可以显著改善二极管的软度，这是由于缓冲层的浓度高于N^-区的浓度，在反向恢复过程中使得耗尽层延伸到缓冲层后扩散速度明显减小，在经历过少数载流子存储时间(t₀-t₂)后，还有大量的载流子未被复合和抽走，它们支持恢复过程，从而提高反向恢复软度。

在采用缓冲层时，必须注意：一是N^-的厚度要窄，使得耗尽层能够到达缓冲层；二是缓冲层浓度不能太低，以避免耗尽层穿通缓冲层，但浓度亦不能过高，以保证缓冲层有适量的过剩载流子。

在电压恢复二极管中，引用缓冲层，可以大大减小N^-的厚度，从而能够缩短反向恢复的时间，降低正向压降(V_F)。以下为在N^-与N⁺间加N型缓冲层的仿真结果。易看到加入缓冲层后，恢复特性有所显著改善。

图16：有N缓冲层和无N缓冲层的反向恢复特性对比。

结论

在对快恢复二极管的反向恢复过程及反向恢复时工作失效的机理进行了简要分析之后，利用TCAD仿真软件对不同结构的二极管进行了仿真，并比较了它们所表现出的特性。可以得出：在设计快恢复二极管时，通过控制寿命，调整结构等，可使二极管的反向恢复软度得到进一步地改善，反向恢复特性与正向导通特性得到更好的折衷。

本文为《电子工程专辑》2023年11月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。点击申请免费杂志订阅