王 建 梁 琳 李有康 李曉明 余岳輝

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雙基區(qū)結(jié)構(gòu)快速軟恢復二極管特性研究

王 建1梁 琳1李有康2李曉明2余岳輝1

（1. 華中科技大學光學與電子信息學院 武漢 4300742. 浙江正邦電力電子有限公司 縉云 321400）

為研究引入緩沖層的雙基區(qū)結(jié)構(gòu)對功率二極管反向恢復特性的改善作用，本文定量地討論了緩沖層厚度和表面濃度對二極管的反向恢復時間、軟度因子以及正向壓降的影響。依據(jù)雙基區(qū)結(jié)構(gòu)設計須滿足的條件，建立了雙基區(qū)結(jié)構(gòu)二極管模型，模型仿真結(jié)果表明緩沖層的厚度越小或者緩沖層表面濃度越高，二極管的軟度因子越大，反向恢復時間越長，這是由緩沖層濃度梯度的影響引起的。結(jié)合具體工程項目的參數(shù)要求，即二極管反向恢復時間rr≤250ns，反向阻斷電壓B≥1 000V，正向壓降F≤1V，給出了緩沖層厚度和表面濃度的最優(yōu)值，即緩沖層厚度為70mm，表面濃度為1×1017cm-3。通過樣品試制與特性檢測實驗，證明了雙基區(qū)結(jié)構(gòu)二極管的軟恢復特性。

雙基區(qū)結(jié)構(gòu) 緩沖層 軟恢復 二極管

0 引言

功率二極管可以應用于各種整流、變頻和斬波等的電力電子功率變換電路中[1,2]，隨著GTO、IGCT、IGBT和IEGT等為代表的大功率現(xiàn)代電力電子器件在電力電子領(lǐng)域的廣泛應用，具有較硬恢復特性的快恢復二極管已經(jīng)不能滿足其應用條件[3-5]。如今的開關(guān)器件要求與之配套的功率二極管具有快而軟的恢復特性[6,7]，以防止在反向恢復過程中因反向恢復電流下降速度d/d過大而產(chǎn)生高電壓[8-10]，高電壓會使二極管或者開關(guān)器件損壞。為了改善二極管的反向恢復特性，即提高軟度因子和縮短反向恢復時間，國內(nèi)外多采取少子壽命控制技術(shù)結(jié)合結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計來實現(xiàn)[11,12]，少子壽命控制技術(shù)包括深能級雜質(zhì)擴散和電子輻照等[13-16]，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計包括采用雙基區(qū)結(jié)構(gòu)和自調(diào)節(jié)發(fā)射效率結(jié)構(gòu)等[17,18]。在這些改善二極管反向恢復特性的方案中，雙基區(qū)結(jié)構(gòu)可以明顯地改善二極管的反向恢復特性，它是在傳統(tǒng)的PIN二極管上加了一個緩沖層，即二極管的基區(qū)由基片的輕摻雜襯底N-區(qū)及較重摻雜的N區(qū)構(gòu)成[19]。雙基區(qū)結(jié)構(gòu)設計的關(guān)鍵就是緩沖層的設計，到目前為止，文獻中所涉及到的雙基區(qū)結(jié)構(gòu)快速軟恢復二極管，基本上都是定性地闡述雙基區(qū)結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性，少見定量計算和分析。本文討論了雙基區(qū)結(jié)構(gòu)二極管中緩沖層厚度和表面濃度對其恢復特性的影響，并結(jié)合工程項目提出了目標參數(shù)下緩沖層厚度和表面濃度的最優(yōu)值，得到了實驗驗證，為雙基區(qū)結(jié)構(gòu)快速軟恢復二極管的設計提供了一些參考。

1 二極管的反向恢復過程

圖1給出了二極管反向恢復波形，其中F為通態(tài)峰值電流，dF/d為正向通態(tài)電流下降率，F(xiàn)為正向壓降，RM為反向恢復峰值電流，RM為反向峰值電壓，R為反向電壓。從f時刻開始，正向?qū)ǖ亩O管兩端突然加上反向電壓，正向電流會以一定的速率dF/d減小，在0時刻減小為零，此時，電流的極性瞬時反轉(zhuǎn)過來，而電壓的極性保持正向偏置不變，只是正向壓降稍有下降，這是因為空間電荷區(qū)的邊緣積累起來的少數(shù)載流子還維持著，整個二極管仍然等效成為一個小電阻，0時刻后，n區(qū)的少數(shù)載流子空穴在外加電場的作用下被抽取到p區(qū)，同樣，p區(qū)的少數(shù)載流子電子被抽取到n區(qū)，1時刻，抽取過程結(jié)束，此時反向電流上升至最大值RM，0～1時間段稱為少數(shù)載流子的抽取過程。1時刻后，基區(qū)中剩下少量的少數(shù)載流子通過與多數(shù)載流子的復合作用而消失，1～2時間段稱為少數(shù)載流子與多數(shù)載流子的復合過程。在這個過程中反向峰值電流RM會以較快的速率下降，如果下降速度過快，就會在線路電感中產(chǎn)生較高的感應電動勢，這個電動勢與電源電壓加在二極管上使二極管兩端承受很高的反向電壓RM，從而損壞二極管或者開關(guān)器件。其中2由電流在0.9RM與0.25RM處的連線在時間軸上的交點決定。

圖1 二極管反向恢復波形示意圖

反向恢復時間的定義為

rr=2-0（1）

一般要求rr越小越好。軟度因子的定義為

軟度因子是描述恢復的軟硬特性，軟度因子要求越大越好，也就是說要求復合時間在整個恢復時間中占的比重越大越好，這樣可以使復合時間變長，從而減小反向恢復電流的下降速度drr/d。

2 雙基區(qū)二極管的結(jié)構(gòu)和工作原理

雙基區(qū)二極管結(jié)構(gòu)示意圖和濃度分布圖如圖2所示，它的主要特點是基區(qū)由N-區(qū)和N區(qū)兩部分組成，N-是原始硅片的輕摻雜襯底區(qū)，N區(qū)則為較重摻雜區(qū)，摻雜濃度高于N-區(qū)，但遠低于N+區(qū)，稱N基區(qū)為緩沖基區(qū)或緩沖層。

圖2 雙基區(qū)二極管結(jié)構(gòu)示意圖和濃度分布圖

緩沖層結(jié)構(gòu)可以明顯改善二極管的軟度，這是由于緩沖層的摻雜濃度高于襯底的摻雜濃度，在反向恢復過程中，高摻雜的緩沖層減小了空間電荷區(qū)的展寬速度，使空間電荷區(qū)邊緣堆積的少數(shù)載流子被抽取的數(shù)量和速度也會減少，從而使緩沖層留下更多的少數(shù)載流子通過復合作用而消失，增加了復合時間，提高了二極管的軟度因子。

緩沖層的厚度和濃度須設置合理，才能使其改善二極管反向恢復特性的作用得以充分發(fā)揮。雙基區(qū)結(jié)構(gòu)快速軟恢復二極管一般須滿足：①N-基區(qū)必須足夠窄，以保證額定電壓下的空間電荷區(qū)展寬能夠進入緩沖層，即緩沖層起到了截止電場的作用。 ②緩沖層的濃度應適宜，濃度不宜過高，以保證正向?qū)ㄟ^程中發(fā)射區(qū)對基區(qū)有效的電導調(diào)制效應，也不宜過低，以保證空間電荷區(qū)不會穿通緩沖層[20]。

3 仿真結(jié)果分析與討論

3.1 模型建立

針對硅基雙基區(qū)結(jié)構(gòu)快速軟恢復二極管，利用器件仿真軟件進行結(jié)構(gòu)設計及特性仿真。具體包括以下三個方面：定義二極管的結(jié)構(gòu)；使用類Spice句型的混合電路仿真；對二極管進行靜態(tài)和瞬態(tài)特性分析。二極管模型考慮了SRH復合、俄歇復合、禁帶變窄、橫向電場和碰撞電離等效應，其中載流子壽命和遷移率均受摻雜濃度影響。

結(jié)合具體工程項目需求，快速軟恢復二極管設計目標定為：反向恢復時間rr≤250ns，反向阻斷電壓B≥1 000V，正向壓降F≤1V。部分參數(shù)確定如下：P+區(qū)結(jié)深為70mm，P+區(qū)表面濃度為1×1019cm-3，N+區(qū)結(jié)深為20mm，N+區(qū)表面濃度為1×1020cm-3，N-區(qū)的厚度為40mm，N-區(qū)的平均濃度為1×1014cm-3，仿真過程中重點討論緩沖層的厚度和表面濃度的影響。

圖3給出了二極管反向阻斷特性曲線和兩端加上1 000V的反向電壓時的電場分布。從圖3a中可以看出，二極管的反向阻斷電壓大于1 000V；圖3b可以看出，二極管兩端加上1 000V的反向電壓時，電場在緩沖層中截止，說明空間電荷區(qū)的展寬已經(jīng)進入了緩沖層，并且未穿通緩沖層，滿足了額定電壓下的空間電荷區(qū)的展寬能夠進入緩沖層且未穿通緩沖層，符合雙基區(qū)二極管設計的條件，圖中20～90mm為緩沖層。

圖3 二極管反向阻斷特性曲線圖和兩端加上反向電壓1 000V時的電場分布圖

為了證明雙基區(qū)結(jié)構(gòu)二極管具有良好的軟恢復特性，仿真中選擇用普通PIN結(jié)構(gòu)二極管進行對比，普通PIN結(jié)構(gòu)二極管相比雙基區(qū)結(jié)構(gòu)二極管少了一個緩沖層。仿真結(jié)果如圖4所示，從圖中可以明顯看出雙基區(qū)結(jié)構(gòu)二極管軟度因子遠大于普通PIN結(jié)構(gòu)二極管，充分說明了雙基區(qū)結(jié)構(gòu)二極管可明顯改善二極管軟恢復特性。

3.2 緩沖層厚度的影響分析

保持緩沖層表面濃度1×1017cm-3不變，調(diào)整緩沖層厚度從40mm變化至180mm，可以得到不同緩沖層厚度時的反向恢復電流波形和正向壓降波形如圖5所示。從圖5a中可以看出，緩沖層較薄時，軟度因子越大，反向恢復時間也越長；從圖5b中可以看出緩沖層較厚時，正向壓降越高。圖6綜合表示了緩沖層厚度對快速軟恢復二極管特性的影響，可見，當緩沖層表面濃度保持不變時，緩沖層厚度減小，也就是二極管的片厚變薄，二極管的軟度越大，反向恢復時間變長，正向壓降減小。折中考慮，緩沖層厚度選擇70mm比較合適。此時反向恢復時間為250ns，軟度因子可以達到1.2，正向壓降為0.88V。

圖5 不同緩沖層厚度時的反向恢復特性比較

圖6 緩沖層厚度對快速軟恢復二極管特性的影響

圖7給出了少數(shù)載流子抽取完成時刻（1）空穴濃度分布圖，從圖7中可以看出，在復合過程即將開始時，緩沖層厚度越小，在緩沖層中留下的空穴濃度也就越高，從而使復合時間增加，復合過程變長，軟度因子變大，反向恢復時間變長。

圖7 抽取過程完成時刻（t1）空穴濃度分布圖

3.3 緩沖層表面濃度的影響分析

保持緩沖層厚度70mm不變，調(diào)整緩沖層表面濃度從1×1015cm-3變化至1×1017cm-3，可以得到不同緩沖層表面濃度時的反向恢復電流波形和正向壓降測試波形如圖8所示。從圖8a中可以看出，緩沖層表面濃度越高時，軟度因子越大，反向恢復時間也越長。從圖8b中可以看出，緩沖層表面濃度變化時，正向壓降無明顯變化。圖9表示緩沖層表面濃度對快速軟恢復二極管特性的影響，可見，當緩沖層厚度保持不變時，緩沖層表面濃度增加，二極管的軟度變大，正向壓降沒有明顯變化，而反向恢復時間會增加。折中考慮，緩沖層表面濃度選擇1×1017cm-3比較合適。此時反向恢復時間為250ns，軟度因子可以達到1.2，正向壓降為0.88V。

圖8 不同緩沖層表面濃度時的反向恢復特性比較

圖9 緩沖層表面濃度對快速軟恢復二極管特性的影響

圖10給出了少數(shù)載流子抽取完成時刻（1）空穴濃度分布圖，從圖10中可以看出，在復合過程即將開始時，緩沖層表面濃度越高，在緩沖層中留下的空穴濃度也就越高，從而使復合時間增加，復合過程變長，軟度因子變大，反向恢復時間變長。

圖10 抽取過程完成時刻（t1）空穴濃度分布

3.4 結(jié)果分析

通過對雙基區(qū)結(jié)構(gòu)二極管中緩沖層厚度和表面濃度對其特性影響的仿真，兩種情況可以得到統(tǒng)一的解釋，都可以視作緩沖層濃度梯度對二極管特性的影響，當二極管的厚度不變時，增加緩沖層的表面濃度，緩沖層的濃度梯度會變大，反之則減小。當二極管的緩沖層的表面濃度不變時，減小緩沖層的厚度，緩沖層的濃度梯度也會變大，反之則減小。所以均可解釋為緩沖層濃度梯度對二極管恢復特性的影響，即緩沖層的濃度梯度較大時，二極管的軟度因子較大，而反向恢復時間會相應地增加。分析其原因，緩沖層的濃度梯度越大，在二極管反向恢復過程中緩沖層對空間電荷區(qū)展寬的抑制作用就越強，這樣就會使更多的少數(shù)載流子空穴留在緩沖層通過復合作用消失，從而增加了復合時間，這樣就使軟度變大，恢復時間變長。

4 實驗與討論

為了驗證雙基區(qū)結(jié)構(gòu)二極管具有良好的反向恢復特性，流片實驗中，選取了電阻率為20Ω·cm的硅片，硅片的厚度為300mm。其中緩沖層厚度為67mm，緩沖層表面濃度為1×1017cm-3，少子壽命控制采用擴鉑，阻斷電壓為900V。

選取10只雙基區(qū)結(jié)構(gòu)二極管測試其反向恢復波形，結(jié)果見下表。

表 雙基區(qū)結(jié)構(gòu)二極管反向恢復特性測試結(jié)果

圖11為軟度因子與反向恢復時間分布圖，從圖中可以看出，所選的10只樣品的反向恢復時間以及軟度因子，反向恢復時間在180～220ns之間，軟度因子在0.55～0.80之間，具有一定的軟恢復特性。

圖11 軟度因子與反向恢復時間分布

圖12為雙基區(qū)結(jié)構(gòu)和普通PIN結(jié)構(gòu)二極管的反向恢復電流波形仿真和實驗對比圖。其中曲線1和2分別為相同測試條件下的雙基區(qū)結(jié)構(gòu)二極管的仿真和實驗反向恢復電流波形圖，曲線3為普通PIN結(jié)構(gòu)二極管的實驗所測反向恢復電流波形圖，從曲線1和曲線2可以看出雙基區(qū)結(jié)構(gòu)二極管的仿真波形與實驗測試波形基本吻合，軟度因子均為0.7，證明了仿真建模的有效性，從曲線3可以看出普通PIN結(jié)構(gòu)二極管的軟度因子僅為0.4，遠小于雙基區(qū)結(jié)構(gòu)二極管，可見雙基區(qū)結(jié)構(gòu)二極管的緩沖層發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。

圖12 測試與仿真波形對比

5 結(jié)論

本文通過對雙基區(qū)結(jié)構(gòu)中緩沖層厚度與表面濃度的仿真，可以得出如下結(jié)論：

（1）緩沖層表面濃度保持不變時，緩沖層厚度減小，二極管的軟度越大，反向恢復時間變長，正向壓降減小。

（2）緩沖層厚度保持不變時，緩沖層表面濃度增加，二極管的軟度變大，反向恢復時間變長，正向壓降沒有明顯變化。論文結(jié)合具體工程項目的參數(shù)要求計算了緩沖層厚度和表面濃度的最優(yōu)值，在一定的反向恢復時間要求下，通過優(yōu)化設計使軟度因子達到最大值。最后通過實驗驗證了雙基區(qū)結(jié)構(gòu)對二極管軟恢復特性的改善作用。

[1] Lutz J, Baburske R, Chen M, et al. The nn+-junction as the key to improved ruggedness and soft recovery of power diode[J]. IEEE Transactions on Electronic Devices, 2009, 56(11): 2825-2832.

[2] 陳威, 戎萍, 張偉, 等. DC-DC變流器整流二極管零電流軟關(guān)斷方法[J]. 中國電機工程學報, 2010, 30(15): 24-31.

Chen Wei, Rong Ping, Zhang Wei, et al. Method of zero current turn-off technique for rectifier diode in DC-DC converters[J]. Proceedings of the CSEE, 2010, 30(15): 24-31.

[3] 易榮, 趙爭鳴, 袁立強. 高壓大容量變換器中快恢復二極管的模型[J]. 電工技術(shù)學報, 2008, 23(7): 63-80.

Yi Rong, Zhao Zhengming, Yuan Liqiang. Fast recovery diode model for circuit simulation of high voltage high power three level converters[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2008, 23(7): 63-80.

[4] Humbel O, Galster N, Dalibor T, et al. Why is fast recovery diode plasma-engineering with ion-irradiation superior to that with emitter efficiency reduction[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2003, 18(1): 23-29.

[5] 李方正, 徐勤富, 賴建軍, 等. PiN 二極管的一種改進型PSpice模型[J]. 電工技術(shù)學報, 2011, 26(1): 172-176.

Li Fangzheng, Xu Qinfu, Lai Jianjun, et al. An improved power PiN diode model for PSpice[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2011, 26(1): 172-176.

[6] Domeij M, Lutz J, Silber D. On the destruction limit of Si power diodes during reverse recovery with dynamic avalanche[J]. IEEE Transaction on Electron Devices, 2003, 50(2): 486-493.

[7] 馬麗, 高勇. 半超結(jié)SiGe高壓快速軟恢復開關(guān)二極管[J]. 物理學報, 2009, 58 (1): 529-535.

Ma Li, Gao Yong. Semi-super junction SiGe high voltage fast and soft recovery switching diodes[J]. Acta Physica Sinica, 2009, 58 (1): 529-535.

[8] 陳曦, 王瑾, 肖嵐. 用于高壓高頻整流的二極管串聯(lián)均壓問題[J]. 電工技術(shù)學報, 2012, 27 (10): 208-214.

Chen Xi, Wang Jin, Xiao Lan. Research on the voltage sharing in series coupled diodes for high voltage and high frequency rectifier applications[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2012, 27 (10): 208-214.

[9] Rahimo M T, Shammas N Y A. Freewheeling diode reverse-recovery failure modes in IGBT applications[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2001, 37(2): 661-670.

[10] 王振民, 張芩, 薛家祥, 等. 快速功率二極管正反向恢復特性仿真研究[J]. 電力電子技術(shù), 2007, 41(5): 92-94.

Wang Zhenmin, Zhang Cen, Xue Jiaxiang, et al. A simulation research on the forward and reverse recovery characteristics[J]. Power Electronics, 2007, 41(5): 92-94.

[11] 凌晨, 葛寶明, 畢大強. 配電網(wǎng)中的電力電子變壓器研究[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2012, 40(2): 35-39.

Ling Chen, Ge Baoming, Bi Daqiang. A power electronic transformer applied to distribution system[J]. Power System Protection and Control, 2012, 40(2): 35-39.

[12] Baburske R, Heinze B, Lutz J, et al. Charge-carrier plasma dynamics during the reverse-recovery period in p+-n?-n+diodes[J]. IEEE Transaction on Electron Device, 2008, 55(8): 2164-2172.

[13] 陳曦, 田敬民, 李守智. 快速軟恢復二極管局域壽命控制數(shù)值分析[J]. 電力電子技術(shù), 2002, 36(6): 70-72.

Chen Xi, Tian Jingmin, Li Shouzhi. Numerical analysis of local lifetime control for fast soft recovery diode[J]. Power Electronics, 2002, 36(6): 70-72.

[14] Vobecky J, Hazdra P. High-power P-i-N diode with the local lifetime control based on the proximity gettering of platinum[J]. IEEE Electron Device Letters, 2002, 23(7): 392-394.

[15] 高金輝, 唐靜, 賈利鋒. 太陽能電池參數(shù)求解新算法[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2012, 40(9): 134-136.

Gao Jinhui, Tang Jing, Jia Lifeng. A novel parameter extraction method for solar cells[J]. Power System Protection and Control, 2012, 40(9): 134-136.

[16] Vobeckyy J, Hazdra P, Zaahlava V. Helium irradiated high-power P-i-N diode with low on-state voltage drop[J]. Solid-State Electronics, 2003, 47(1): 45-50.

[17] Felsl H P, Heinze B, Lutz J. Effects of different buffer structures on the avalanche behaviour of high voltage diodes under high reverse current conditions[J]. IEE Proceedings of Circuits Devices System, 2006, 153(1): 11-15.

[18] Schlangenotto H, Serafin J, Sawitzki F, et al. Improved recovery of fast power diodes with self-

adjusting pemitter efficiency[J]. IEEE Electron Device Letters, 1989, 10(7): 322-324.

[19] 張斌. 快恢復二極管發(fā)展與現(xiàn)狀[J]. 電力電子技術(shù), 2010, 34(1): 20-23.

Zhang Bin. The reviews and status of fast recovery diodes[J]. Power Electronics, 2010, 34(1): 20-23.

[20] 張海濤, 張斌, 王均平. 采用緩沖層結(jié)構(gòu)的軟恢復二極管研究[J]. 電力電子技術(shù), 2003, 37(2): 79-81.

Zhang Haitao, Zhang Bin, Wang Junping. Study of soft recovery diode with buffering base region by the diffusion[J]. Power Electronics, 2003, 37(2): 79-81.

Investigation of the Characteristics of Fast Soft Recovery Diode with Double-Base Region Structure

11221

（1. Huazhong University of Science and Technology Wuhan 430074 China 2. Zhejiang ZhengBang Power Electronics Co., Ltd Jinyun 321400 China）

In order to study the improvement of the double-base region structure with buffer layer on the power diode’s reverse recovery characteristics, the influences of the buffer layer thickness and the surface concentration on the diode reverse recovery time, softness factor, and forward voltage drop are quantitatively discussed. The double-base region structure model satisfying the necessary conditions is established. The model simulation results show that the softness factor and the reverse recovery time can both be increased through decreasing the thickness or adding the surface concentration of the buffer layer, which is caused by the influence of the concentration gradient of the buffer layer. According to the project requirements, the reverse recovery time (rr) is less than 250ns, the reverse blocking voltage (B) is greater than 1 000V and the forward voltage drop (F) is less than 1V. The optimum buffer layer thickness and surface concentration level are 70mm and 1×1017cm-3, respectively. The soft recovery characteristics of the diode with the double-base region structure are demonstrated by prototyping and feature detection experiments.

Double-base region structure, buffer layer, soft recovery, diode

TN312

王 建 男，1988年生，碩士研究生，研究方向為電力電子器件及其應用。

梁 琳 女，1981年生，博士，副教授，研究方向為電力電子器件及其應用。（通信作者）

2013-06-28 改稿日期 2013-08-06