快恢復(fù)二極管軟度參數(shù)的調(diào)整原理與相關(guān)計算

 1.前言
  隨著GTR、VDMOS、IGBT等新型自關(guān)斷功率器件在高頻變換裝置中的大量應(yīng)用。作為配套使用的快恢復(fù)二極管的反向恢復(fù)特性越來越受到使用者關(guān)注。最初關(guān)注的僅是反向恢復(fù)時間trr，后來最關(guān)注的的是反向恢復(fù)過程中的軟度因子tb/ta，而更進一步關(guān)心的是軟度diR(rec)/dt。軟度是圖1 所示二極管反向恢復(fù)波形中tb期間反向恢復(fù)電流的衰減率。因為軟度的強弱直接影響到恢復(fù)過程中產(chǎn)生尖峰電壓的高低：

  式中L是開關(guān)電路中的電感。此尖峰電壓VRM作用于和二極管相關(guān)聯(lián)的GTR、VDMOS、IGBT，易導(dǎo)致這些器件承受過高的電壓而損壞。
  快恢復(fù)二極管的軟度因子和軟度與快恢復(fù)二極管的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)有關(guān)。但在制造過程中，結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)一定時，軟度參數(shù)主要受復(fù)合中心物理特性的影響。因此本文的目的是通過不同的復(fù)合中心對軟度參數(shù)影響的分析，找出一種較好的復(fù)合中心來協(xié)調(diào)快恢復(fù)二極管的軟度參數(shù)，做出軟度較軟的快恢復(fù)二極管。  
  2.理論分析
  反向恢復(fù)第一階段的恢復(fù)時間ta為： 式中τF、τR分別為大注入和小注入水平下載流子壽命；IF、IR分別為通過二極管的正向和反向電流。
  反向恢復(fù)第二階段的恢復(fù)時間tb為： 式中：R為開關(guān)電路中的電阻，Ct為pn結(jié)勢壘電容，若忽略RC1的影響，式（3）可簡化為：   當IF=IR條件下，由式（2）、（4）可知，軟度因子tb/tn主要與τR，τF及τR/τF比值有關(guān)。
  軟度diR(rec)/dt是tb期間反向恢復(fù)電流從IR的最大值指數(shù)地衰減到0.1IR階段中電流的衰減率。Tb期間反向恢復(fù)電流可簡單表示為： 式中t2可參照圖1所示的波形參數(shù)。Τ為時間常數(shù)： 對式（5）求導(dǎo)數(shù)，可得軟度的表達式： 由式（6）和（7）可知，軟度diR(rec)/dt亦是τR、τF的函數(shù)，并且亦與τR/τF比值有關(guān)。當τR一定時τR/τF的比值越大，tb越大，diR(rec)/dt的絕對值越小，即軟度越軟，軟度因子tb/ta亦越大，二極管軟度參數(shù)越好。
  τR/τF的比值是小注入載流子壽命與大注入載流子壽命的比值，不同注入水平下的載流子壽命表達式：
  小注入水平下載流子壽命用τLL表示： 式中Er為復(fù)合中心能級。 σp、σn分別為空穴電子的俘獲截面，Utp、U1o分別為空穴和電子的熱速率，Nt為復(fù)合中心密度。
  大注入載流子壽命用τHL表示： 當復(fù)合中心能級接近于禁帶中心時，τLL≈τpo，因此可得τLL與τHL的比值：   要使τLL/τHL比值較大，選擇的復(fù)合中心的σp/σn的比值應(yīng)越小越好。常采用的復(fù)合中心有金、鉑及電子輻照和Y輻照產(chǎn)生的復(fù)合中心，金的
；鉑的；電子輻照能級；Y輻照能級中心。金的σp/σn=84.3；鉑的σp/σn=84.4；電子輻照的σp/σn=5.35；Y輻照的σp/σn=2.39。從這些數(shù)據(jù)可見，Y輻照的中心能級σp/σn比值最小，對于獲得理想的軟度特性是最為有利的。其后依次是電子輻照摻鉑和摻金二極管。
  
  3.實驗結(jié)果
  為了驗證以上的分析，對用同樣結(jié)構(gòu)參數(shù)、工藝參數(shù)制成的50A/1000V快恢復(fù)二極管樣片，將其分為兩組，一組進行摻金處理，通過摻金量和摻金溫度和時間的控制，將此組樣片進行Y輻照處理，輻照劑量為侖琴，由退火溫度和時間的控制將該組樣片的反向恢復(fù)時間trr亦控制在Zµs左右。
  然后在相同的測試條件下，方別測出兩組樣品的ta、tb、trr、tb/ta、diR(rec)/dt等參數(shù)。兩組樣品的測試參數(shù)分別列于表1和表2中。   從兩個表中的結(jié)果比較可知，摻金快恢復(fù)二極管的軟度因子tb/ta平均值只有0.6左右。而Y輻照快恢復(fù)二極管的軟度因子在0.1以上。軟度diR(rec)/dt參數(shù)，摻金樣品平均值在100A/µs以上，而Y輻照樣品平均值在60~70A/µs，Y輻照樣品軟度比摻金樣品好得多，數(shù)量上相差近一倍。
  以上的結(jié)果說明了前面理論分析的正確性。快恢復(fù)二極管的軟度參數(shù)和大注入載流子壽命τF及小注入載流子壽命τR都有關(guān)系，特別是它們的比值τR/τF的大小。而τR/τF的比值取決于復(fù)合中心的物理特性和物理參數(shù)σp/σn的比值，σp/σn比值越小的復(fù)合中心，可獲得較大的τR/τF比值，對提高軟度因子tb/ta有利，并可獲得較好的軟度diR(rec)/dt。
  這從快恢復(fù)二極管的反向恢復(fù)物理過程亦可得到解釋，當大注入壽命τF相對小注入壽命較小時，tn的恢復(fù)過程將進行得較快，ta變短。由于τR的相對增加，使得tb的恢復(fù)過程將進行得較慢，tb時間增加，因而軟度因子tb/tn增加。同理由于τR較大，在tb期間反向電流IR的衰減率將減低，軟度提高。這說明在二極管結(jié)構(gòu)工藝參數(shù)基本確定的情況下，用適當?shù)膹?fù)合中心去調(diào)整軟度參數(shù)是可能的。但是值得注意的是，在工藝過程中會有各種不同能級的復(fù)合中心進入硅材料中，綜合的復(fù)合效應(yīng)會導(dǎo)致?lián)浇鸲O管和Y輻照二極管的軟度參數(shù)區(qū)別不大，體現(xiàn)不出某種復(fù)合能級的優(yōu)越性。因此要使用某種復(fù)合中心去調(diào)節(jié)軟度參數(shù)，必須注意硅材料含有害雜質(zhì)的純度，缺陷密度，注意工藝衛(wèi)生，確保主要復(fù)合能級的作用。
 
  4.結(jié)論
  用優(yōu)選適當?shù)膹?fù)合中心調(diào)整快恢復(fù)二極管的軟度參數(shù)是可行的，但必須限制其他復(fù)合中心的密度。



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