快速软恢复二极管设计优化方案

由于功率二极管导通期间会产生电导调制效应，使得正向压降减小，但同时由于这些少子的存储效应，导致反向恢复时间变长。为了满足高频、大功率应用要求，可通过对结构参数进行优化设计，在击穿特性、通态特性和反向恢复特性之间取得折中，从而获得最佳的综合性能。为了提高击穿电压、降低正向压降，可通过采用缓冲层或FS层，以及新的阴极或阳极结构来实现。此外，还可利用局部少子寿命控制技术来协调正向压降、反向恢复时间及软度因子三者之间的矛盾关系。下面介绍快速软恢复二极管（FSRD）各区的设计方法。

1.缓冲层/FS层的设计

为了改善反向恢复特性，除了采用低掺杂的阳极区外，还需在n⁺阴极区和n^-区之间增加一层n缓冲层，以改变阴极侧的掺杂浓度分布，从而控制反向恢复期间载流子的抽取速度。对600V以下的FSRD而言，通常利用外延来形成n缓冲层，如图2-32a所示。如APT公司的15DQ60B型快速软恢复二极管就是在15D60B型快速软恢复二极管的基础上增加一个n缓冲层，使得反向峰值电流和反向恢复电荷降低，反向恢复特性更软。对于1.2kV以上器件，通常采用高阻区熔（FZ）硅单晶以降低衬底成本，n缓冲层通常采用离子注入工艺来形成，如图2-32b所示。也可采用场阻止层或软穿通（Soft Punch Through，SPT）结构^[29]，如Infineon公司的Emcon4二极管就是采用薄片工艺实现了一个较深的、低浓度场阻止（deep field stop）层^[30]，使得在反向恢复期间，n^-n结处电场强度减小，载流子的抽取速率减小，从而显著减小高电压振荡，获得更软的恢复特性。图2-32c是一种中部高浓度的宽缓冲层（Middle Broad Buffer Layer，MBBL）二极管结构，它是利用外延工艺在n^-区形成一个中心处浓度为N_p，两侧浓度约为1/3N_p的类“山”形掺杂浓度分布^[31]。这种较宽的“山”形掺杂浓度分布，也可在FZ硅单晶片上利用P或As离子注入来实现^[32]。采用MBBL结构可以获得快而软的反向恢复特性，并抑制反向高电压的振荡。将MBBL结构与质子辐照技术结合，可进一步降低反向峰值电流抑制高压振荡。

图2-32 具有不同缓冲层或FS层的二极管结构

2.阳极区的设计

功率二极管阳极区的设计，首先要考虑降低阳极的注入效率，以协调通态特性与反向恢复特性之间的矛盾关系。此外，还需考虑功率二极管安全工作区及可靠性等因素。降低阳极掺杂浓度，不仅可以降低阳极注入效率，缩短反向恢复时间，而且可使pn结压降减小，有利于降低器件的正向压降。如采用IDEE阳极结构，可使阳极注入效率随电流密度升高而增大，不仅可以改善功率二极管的反向恢复特性，还可降低高电流密度下的正向压降，提高功率二极管抗浪涌电流的能力。此外，对阳极区进行局部寿命控制，如采用图2-11b所示FSA结构，使复合中心位于反偏pn结空间电荷区之外的中性阳极区，就可降低高温漏电流^[33]。

3.辅助门极的设计(www.xing528.com)

除了对快恢复二极管的n缓冲区、阳极区及阴极区进行优化设计外，还可以在阴极侧增加一个控制极，形成门极控制二极管（Gate Controlled Diode，GCD）^[34]。如图2-33所示，它是利用台面工艺将p⁺门极区从n⁺阴极区中分离，并形成独立的门极接触。

GCD反向恢复期间，通过在门极上加一正向电流脉冲来改善其反向恢复特性，如图2-34所示。当GCD的反向恢复峰值电流开始下降时，在门极上加一个很低的正电流脉冲，向n^-区中注入空穴，以延长反向恢复末期的拖尾电流，从而获得较软的反向恢复特性。脉冲宽度t_pulse、延迟时间t_delay及门极电流幅度I_G都会影响GCD的反向恢复特性。如果在GCD的门极上加5V或6V电压，可获得幅值为300A的门极电流I_G，于是可关断1300A的通态平均电流，并且有较软的反向恢复特性。

图2-33 GCD的剖面结构及图形符号

图2-34 GCD门极脉冲及其对应的反恢复特性曲线

采用门极控制技术虽然可以得到较好的特性，但增加了门极控制电路及其功耗。当然，GCD也可以采用与GCT相同的驱动方式，将门极驱动电路通过印制电路板与GCD做在一起，形成集成化的GCD（IGCD）。用IGCD与IGCT反并联可替代串联IGCT的吸收网络，实现对称的静态与动态均压，同时反并联的IGCD还可以减小IGCT的关断损耗。