SOS：基本工作原理解析

根据开关特性的不同，二极管可分为普通的硬恢复二极管和经改良的现代软恢复二极管。定义反向电流衰减时间与高反向传导状态的持续时间之比为软度因子，即如图4-70中的t_b／t_a。这个系数对软恢复二极管可达到1～2；对硬恢复二极管小于1，在电感负载电路中开关上的过电压可达初始反向电压的200％～300％。

图4-70 二极管反向恢复过程电流电压波形图

开发新型SOS二极管的目的不是用来整流，而是明确地用来快速关断电感储能脉冲功率系统中的反向电流。例如，相同条件下在美国软恢复二极管NTE541、俄罗斯硬恢复二极管Cдл和SOS二极管上获得输出电压脉冲，预充电容的初始电压均为9.5kV，NTE541二极管上获得的电压脉冲幅值小于10kV，Cдл二极管上则获得过电压22kV。实验表明，在SOS效应条件下，与交流整流方式不同，更高的电流密度和更短的预充时间使得软恢复二极管和硬恢复二极管的差异显现出来。

软恢复和硬恢复二极管主要在掺杂浓度、PN结结深X_p、基区宽度W、形成基区的N型Si电阻率的设计上有所不同。图4-71给出了上述3种典型的P^＋PNN^＋二极管结构。其中，普通硬恢复二极管通过扩铝至结深约100μm形成P区。软恢复二极管的制作采用了以下一些技术：减小X_p同时增加PN结的陡度，即在靠近PN结处形成一个外延P区，产生一个陡峭的受主浓度梯度；延长基区，即增加W／X_p；提高初始硅的电导率。这种结构特点使得电流从正向变为反向时，一方面PN结快速地释放过剩载流子，以阻碍反向电流的进一步增大，另一方面二极管内大量剩余等离子体延迟了反向电流的衰减，以保证电压的软恢复模式。

图4-71 二极管的典型P^＋PNN^＋结构

1—软恢复二极管 2—硬恢复二极管 3—超硬恢复二极管（SOS）

I.V.Grekhov等人反向思维，考虑了如何增加二极管恢复硬度的问题，他们的研究结果表明，在电流密度为1～10A／cm²情况下，把X_P从50μm增加到110μm，可使高反向传导状态的持续时间延长到几_μs，同时反向电流衰减时间减小到几十微秒。

为了研究结构参数对SOS效应模式下电流关断过程的影响，G.A.Mesyats和S.N.Rukin等人制造了不同初始硅电阻率、基区宽度、结构面积、PN结深度的实验用SOS堆体。每个SOS堆体包含20只串联的二极管，用电介质轴固定，每只二极管装有一个铜散热片。当PN结结深X_p由100μm增加到200μm时，获得了提高SOS恢复硬度的积极结果。当X_p＞160μm，过电压系数可达到6。这种具有深扩铝结构的二极管称为SOS二极管。根据已有分类，它也可以叫做超硬恢复二极管。

图4-72 SOS双回路泵浦电路原理图

图4-72所示为SOS的双回路泵浦电路原理图，其中电容C₁和C₂的电容量相等。电容C₁预先充电到电压U₀，当开关S^＋闭 合后，C₁通过电感L^＋和SOS放电，同时给C₂充电（开关S^-断开），此为SOS的正向泵浦过程，电子-空穴等离子体注入二极管。正向泵浦过程中电路的等效电容C＋＝C1／2。SOS正向泵浦过程结束时开关S＋断开，开关S^-闭合，反向电流通过电感L-从电容C^-＝C₂注入，并从二极管中移出等离子体。SOS的阻抗急剧增加，电流由二极管转换到负载R₁，形成高电压输出脉冲U_r。R₁电压上升率与二极管的电流关断速率有关，输出脉冲的能量取决于存储于L^-的能量。

图4-73 SOS泵浦和关断过程（实线为电流，虚线为电压）

图4-73给出了典型的SOS泵浦和关断过程的电流电压波形图。正向泵浦过程中，PN结正向偏置，空穴从P^＋区漂移到二极管基区，电子从N^＋区向相反的方向漂移，并逐渐充满P区。因为P^＋ PNN^＋结构中基区的掺杂浓度最低，SOS的阻抗主要由其决定。泵浦初始阶段，二极管内电流密度增长比基区电阻下降更快，导致在SOS上出现正向浪涌电压（图4-73中点1处），并在基区出现一个强场区。此时的电子和空穴密度分布、电场剖面及双极漂移速率如图4-74所示。从二极管电阻小于电路的特征阻抗和负载电阻，直到电流关断，SOS以电流源模式运行，通过SOS的电流由外部电路而非半导体结构本身的特性决定。(www.xing528.com)

图4-75为正向泵浦结束时（图4-74中点2处，零电流）注入电子和空穴的浓度分布。可以看到，大部分积累电荷残留在高掺杂区，其中电子在P区，空穴在N^＋区；最低等离子体浓度在基区，其值约为10¹⁶cm^-3。

图4-74 正向浪涌时电场及等离子体分布

图4-75 正向预充结束时电场及等离子体分布

反向泵浦过程中，等离子体倒转其运动方向，并开始回到PN结平面。在这个过程中，非平衡载流子浓度为高注入水平，大部分等离子体移动得比等离子体峰区慢，因此锐化了等离子体剖面的边缘，先在P区，接着在N区。等离子体峰区的最大宽度δN和δ_P可通过如下方法估算：一个很强的扩散流量，朝着等离子体相反方向移动，出现在锐化峰区；为了使等离子体传导电流，这个流量必须由一个大约相等的漂移分量来平衡，则δ_N～D_n／V_n（E），δ_P～D_p／V_p（E）。当峰区等离子体移动速率达到饱和时，δ_N和δ_P取得最小值：δ_N～D_n／V_ns＝0.04μm，δ_P～D_p／V_ps＝0.01μm。当空间等离子体陡峭分布形成，位于等离子体峰区后的P^＋-P-N-N^＋结构区域几乎完全没有载流子注入，电流仅靠多数载流子维持，其在等离子体峰区外部浓度最低。不考虑扩散电流的影响，则二极管截面的电流通路为

P区x≤x_nfr，j（t）＝q｜N（x）｜V_n（E（x））

N区x≥x_pfr，j（t）＝qN（x）V_p（E（x））

式中，q为基本电荷；x_nfr和x_pfr分别是P区电子密度和N^＋区空穴密度边界的坐标；V_n（E（x））和V_p（E（x））是载流子在电场E（x）下的漂移速率；N（x）为施主与受主浓度差，N（x）＝N_D（x）-N_A（x），其值在N区为正、在P区为负。

当等离子体峰区到达电流密度等于多数载流子的饱和电流密度的地方时，j_ps＝q｜N（x_nfr）｜V_ps，j_ns＝qN（x_pfr）V_ns，等离子体峰区的场强突然增大，载流子漂移速率达到饱和，载流子迁移率下降。迁移率下降意味着在等离子体峰区形成了一个具有高的有效阻抗的结构部分，这导致通过SOS的电流减小。碰撞离子化产生的电子—空穴对限制了等离子体峰区的电场强度，产生的额外载流子使得等离子体密度低的区域能流过电流。因此，具有陡峭边界的高电场区出现在半导体结构中，区域外边界拥有电流饱和条件，并被几乎固定的电场占据，内边界则位于等离子体峰区。图4-76（图4-73中点3处）即为此时的电场和等离子体分布图。因为等离子体峰区不停地移向基区，电场区域增大，通过SOS的反向电压增大，SOS上形成一个电压脉冲尖峰。

图4-76 反向关断时电场及等离子体分布

SOS效应在半导体器件中代表着一种新的电流关断理论，其主要差别是：电流关断不像其他器件一样在低掺杂的基区发生，而是在狭窄的高掺杂P^＋区发生；基区和PN结被大量的过剩等离子体充满，其浓度高于初始掺杂浓度两个数量级。这两个因素使得SOS可以在纳秒时间内关断高密度电流。

值得指出的是，当使用高电阻率Si时，出现了不利的结果：正向预充的初始阶段，当基区电导调制，一个可以和预充电容电压相比的电压出现在SOS上，这使得正向预充阶段SOS上的能量损失已达40％～50％。因此，设计SOS时初始Si电阻率一般不高于50Ω·cm。