DSRD超级快速恢复原理解析

如图4-92所示为高电压下PN结恢复期间的载流子和电场的分布。

t₁时刻，当正向短电流脉冲（泵浦）注入到P^＋NN^＋结构时，等离子体的注入过程开始。在P^＋N结的附近出现由载流子产生的高密度的扩散区（10¹⁸cm^-3）。扩散区宽度（W_d）满足下式

式中，D为扩散系数；τ_＋为泵浦脉冲宽度。

图4-92 高电压下PN结恢复期间的载流子和电场的分布

在基极的其他区域，部分注入电荷（大约μ_p／（μ_p＋μ_n），其中μ_p、μ_n为载流子的迁移率）积累在漂移波中，密度比P^＋N结附近低两个数量级，波前以V_f的速度从扩散区传播到N基区

V_f＝j_＋／qN_d

式中，j_＋为泵浦电流密度，N_d为n区衬底的杂质浓度。

t₂时刻，当电流反向时，漂移波仍以V_f的速度返回，此时漂移区变窄。

t₃时刻，在PN结附近的扩散区，反向浓度梯度区域已经出现。

t₄时刻，当电子的浓度降到零水平时，中性的条件已经不能再维持，空间电荷区（Space Charge Region，SCR）也开始展宽，空间电荷区压降速率和空间电荷区的边界展宽速度（V_SCR）成一定比例。

式中，W_SCR为空间电荷区宽度；ε为介电常数；E_m为PN结可承受最大电场。

空间电荷区的边界在高密度扩散区的速度为(www.xing528.com)

V_SCR≈j_-／q（n＋p） （4-50）

式中，n、p分别为电子和空穴的浓度。

V_SCR与扩散区的载流子浓度成反比，并且由于高浓度载流子的存在使得V_SCR很小（由图4-92的t₂～t₄时间可以看出）。因此电压的上升率也会很小。在N^＋N结附近，有双极漂移波形成，并向空间电荷区的边界迅速移动，当空间电荷区的边界和漂移波前相遇时，扩散区耗尽。一旦耗尽，在N衬底区非平衡载流子不复存在并且电导电流消失。根据式（4-49）和式（4-50），空间电荷区的边界的速度和迅速上升。当二极管电压（U）迅速上升时，二极管的电流急速下降至零，此时u上升至电源电压水平。电流值j_-＝j_S＝qV_SN_d（其中V_s是电子的饱和速度），E_m的最大值由击穿场强E_α决定，由式（4-49），硅半导体的最大为

当V_S＝10⁷cm／s，E_m≈E_α≈2·10⁵V／cm，其中E_α击穿场强。

上面所做的考虑表明在电压快速恢复之前，电压上升率很低。PN结上总的电压（U_p）的一部分是由空间电荷区的压降决定，可以通过图4-92和式（4-48）估算出来

式（4-51）中，并未包括流经空间电荷区的空穴。在大电流情况下j-＝j_s，空穴的存在使U_pSCR提高两倍。

式（4-51）表明U_pSCR是和泵浦时间成比例的。它表明在反向电流期间高浓度扩散区的扩展是非常缓慢的。这是由于以下这个因素所导致的：在泵浦的过程中，来自PN结的空穴同时受到“扩散”和电子的作用，并且它们的作用方向相同。当空穴浓度远大于杂质浓度时（p≫N_d），这些作用几乎是相等的。当电流改变方向，电场作用力也会改变，然而扩散作用仍然保持着原有方向。如果正向和反向电流相等，作用在空穴上的各个方向的作用力的合力逐渐降为零。

U_p的另一部分，是由只有平衡载流子存在的中性区的压降决定的，值为

U_pnu≈E_nu（W-W_d）

式中，E_nu为中性区的电场强度。

为了在快速恢复阶段获得最大的，E_nu＝E_s的条件必须满足。

t₅时刻，双极漂移波到达等离子体层边界时，等离子体层消失，空间电荷区的边界将以饱和速度右移，从而实现DSRD的迅速关断。