高压大功率快恢复二极管静态特性及设计依据

  1. PN结二极管击穿原理
  根据物理学知识，知道高电压可以导致高电场。二极管在反向偏置下，足够高的电场加在PN结上时，结就产生“击穿”并由大的电流通过，电击穿主要有二种机制：
  (1)隧道击穿，指的是电场强到足以将被共价键束缚的电子释放出来，产生对电流有贡献的两种载流子——电子和空穴；
  (2)雪崩击穿，自由载流子在两次碰撞之间从电场获得足够的能量，与晶格发生碰撞时可以打破共价键的束缚，产生电子空穴对。若电场足够高，所有的载流子以及碰撞产生的电子空穴对都能从电场中获得能量，参与随后的碰撞，发生雪崩倍增效应，导致空间电荷区载流子的急剧增加。
  除了电击穿外，还有一种由于热不稳定性引起的击穿效应，即热击穿。在高的反向电压下，反向电流引起热损耗导致结温升高，结温升高反过来又增加了反向电流，这是一个正反馈过程。
  雪崩击穿是最重要的击穿机制。雪崩击穿电压决定了大多数二极管反向偏压的上限。接下来讨论雪崩击穿的决定因素。
  1)雪崩倍增效应
  若耗尽区的电场足够高，通过碰撞电离过程就会产生电子一空穴对，稳态总电流可以表示为Itotal=In+Ip。空穴电流的增量等于在dx距离内单位时间产生的电子-空穴对数目dI_p=I_pa_pdx+I_na_ndx。雪崩击穿电压定义为空穴倍增因子Mp趋近于无限大时对应的电压。
 
  2)突变结雪崩击穿
  对于单边突变结，击穿电压通用的经验公式：

  N为轻掺杂一侧的衬底掺杂浓度，Em为最大电场，Eg为室温下的禁带宽度，WD最大耗尽层宽度。
 
  3)线性缓变结雪崩击穿
  对于线性缓变结，击穿电压通用的经验公式：  
  式中a为掺杂浓度梯度，Em为最大电场，Eg为室温下的禁带宽度，WD最大耗尽层宽度。
  利用Matlab工具和经验公式(2.2)仿真线性缓变结的反偏情况下的电势和电场分布，反偏电压和电场强度与耗尽宽度的关系如图1所示。  
  4)主结耐压性
  所有的半导体器件的物理尺寸部是有限的，以便于封装和测试，实际的平面工艺形成的结，它的周边曲率效应将显著降低击穿电压。因为结周边的柱面或球面区有较高的电场强度，雪崩击穿电压由这些区域决定，在柱面或球面p-n结内的电势V(r)和电场E(r)可由Poission方程计算。  
  2. 高压大功率快恢复二极管的研究意义
  新型功率半导体材料虽然得到了广泛的研究，但是在原材料品质等关键技术上还没有突破。这就造成高质量的新型功率半导体材料晶片造价非常昂贵。只有在原材料的生产成本上降低一个数量级以上，大规模的工业应用才会成为可能，而硅基材料已经被研究的非常透彻，高质量低成本的原材料可以得到充分的保证。
  高压快恢复功率二极管(FRD)的器件设计与工艺研究。研究的主要内容：
  1)利用PN结终端技术，完成反向阻断电压1200V的快恢复功率二极管的结构设计和仿真调试，BV≥1200V@0.1mA；
  2)通过控制少子寿命的变化及少子寿命，设计完成的器件满足反向恢复时间trr≤500ns；反向恢复软度因子S>0.5；
  3)利用公司现有的0.5um技术能力的6吋生产线，完成器件的芯片试制；
  4)与封装测试公司合作，完成单管样品封装和测试。
  日益严重的能源和环境问题促使人们对能源转换效率、品质更加关注。作为电力电子变换技术的基础核心组件，功率半导体器件正沿着高效率、高频率、高功率、节能化、智能化等方向发展。
  快恢复二极管(FRD)广泛应用于不间断电源、开关电源、交流电机的变频调速器、脉宽调制器(PWM)等电路中作高频、高压、大电流整流、续流二极管用。



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