快恢复二极管的仿真验证

  设计一个采用P+N-N+结构的1000V，电阻率在20Ω·cm，空间电荷区展宽在81µm；横坐标为片厚d/µm，纵坐标为各部分的杂质浓度；片厚d=200µm，两极为重掺杂，P+浓度为2×10¹⁹cm^-3、N+浓度为2×10²⁰cm^-3、基区N-的浓度为2×10¹⁴cm^-3；P+宽度为60µm，N-宽度为80µm，N+厚度为60µm。如图1 所示。

   本实验做了反向峰值电流随不同正向电流密度的变化曲线；如图2所示。   曲线1代表正向电流密度为120A/cm²、曲线2代表正向电流密度为110A/cm²、曲线3代表正向电流密度为100A/cm²、曲线4代表正向电流密度为90A/cm²、曲线5代表正向电流密度为80A/cm²；所以曲线1到5是表示反向电流随正向电流密度逐渐下降的曲线图。
  通过图2可以发现，这两种分析所得到的结论基本一致，PIN二极管正向电流密度越小，反向恢复过程中的峰值电流就越小，所用的反向恢复电荷就越少。
  从某种意义上说，反向恢复电荷Qrr在数学上定义为Irr在反向恢复时间trr内的积分，反向恢复时间trr定义为穿过反向恢复峰值电流Irrm和0.25Irrm的一条直线与时间轴的交点。那么从t1-t5时间段电流曲线与时间轴围成的面积即为反向恢复电荷Qrr；从而可以得到式（9）：   从图2可以看出正向电流密度越小，反向恢复峰值电流就越小，反向恢复时间就越小，器件的关断速度越快，关断时所消耗的能量就越小。
  正向电流的大小与p+n-结处载流子的浓度有关系，如式（10）   从式（10）中可以看出载流子的浓度p（x）与pin二极管的正向电流密度jpin近似成正比。那么就进一步说明要想使反向恢复时间减小，我们就的使反向恢复峰值电流减小，反向峰值电流的减小，可以通过减小正向电流密度来实现，而正向电流密度减小，使p+n-处载流子的浓度降低，这就需要阳极像基区注入载流子浓度就要减小，也就是说阳极的注入效率要小，所以反向推出对于阳极浓度选取就得采用低阳极浓度技术，是阳极注入到基区的载流子浓度要低；那么在反向恢复过程中，即便有高的电流变化率di/dt，它所产生的反向恢复电流峰值也不会太高，进而使反向恢复电荷减小，提高了二极管的关断速度。
  实质上，整个反向恢复过程就是I区中抽取盒复合掉的电荷总量Qrr，那么，I区的电流方程可以表示为：   τ为载流子寿命，If为导通时的正向电流。从（12）式可以看出载流子寿命τ越小，反向恢复过程越快，所花费的反向恢复时间越小。所以我们要尽量减少τ的值，就是说少子寿命是限制反向恢复时间缩短的一个重要因素。
  所以为了使二极管的反向恢复速度加快，降低基区的少数载流子寿命是必须的，下面就是验证通过不同的少子寿命看反向恢复电流的变化如图3所示。   图3所验证的是在少子寿命分别取2µs、1µs、0.5µs、0.1µs是反向电流的变化，从图中，不难看出随着少数载流子寿命的降低，反向恢复电流峰值也相继减小，反向回复时间也减小，与之前理论分析一致。对于加入缓冲层的二极管采用P+N-NN+结构，横坐标为片厚d/μm，纵坐标为各部分的杂质浓度；片厚d=200μm，两极为重掺杂，P+浓度为P+浓度为2×10¹⁹cm^-3、N+浓度为2×10²⁰cm^-3、基区N-的浓度为2×10¹⁴cm^-3、N区缓冲层的浓度2×10¹⁶cm^-3为P+宽度为60µm，N-宽度为60μm，缓冲层N厚度为20μm，N+厚度为60μm。如图4所示。
  带缓冲层结构的二极管反向恢复软度大大增加。由于缓冲层的杂质浓度高于衬底的浓度，在反向恢复过程中使得耗尽区到达缓冲层后扩展明显减慢。这样，经过少数载流子存储时间之后，在缓冲层中还有大量的载流子未被复合或抽走，使得复合时间相应增加，从而提高了二极管的软度。   不同温度下pin结构二极管与p+n-nn+结构的电流电压曲线。   缓冲层结构的引入极大的减小了基区的厚度，从图4中可以看出，由于缓冲层结构的引入，使N-区域的厚度明显减小，而N区域得浓度比N-区域浓度要高2个数量级，那么其电阻率也就比原来N-区域的电阻率小一个数量级；从而使正向导通压降明显的下降，由图5、图6可以看出，随着温度的升高，二极管的正向压降随之上升；并且带缓冲层的二极管，高温对其正向导通特性的影响非常的非常小，但是对普通二极管的影响较大。



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