快恢复二极管反向耐压温度特性及影响因素研究

  1. 引言
  在快恢复二极管的生产过程中，人们发现基区的掺杂浓度的大小极大的影响管芯的成品率，主要表现在低掺杂衬底管芯的高温特性要差于高浓度掺杂的管芯。
  由于功率半导体器件向快速、大容量的发展，当其工作在大电流、高电压和高频的环境下时必然会产生大量的热量，使得结温上升，特性变差，甚至损坏，因此研究基区的掺杂浓度对快恢复二极管高温特性的影响是很有意义的。
 
  2. 理论基础
  2.1 空间电荷效应
  空间电荷效应是产生的载流子空间电荷使耗尽区中的电场发生了变化。这种效应在突变结中引起正的直流增量电阻，而在PIN结构的二极管中则引起负的直流增量电阻。
  
  2.2 软击穿、硬击穿
  当二极管反向电压小于雪崩击穿电压时，其漏电流很小，但当二极管达到雪崩击穿时，电流迅速上升，即在V_BR时，电流出现明显的拐点，即呈现硬击穿特性；图1所示为一个“软”击穿二极管的反向电流-电压特性，与相应的“硬”击穿特性相比较，很明显，当反向电压还远低于雪崩及穿电压时，这个二极管中已经有了很大的额外反向电流。

  软击穿是一个很重要的二极管击穿的反常现象。这种击穿特性对二极管的整流性质起着破坏性的影响，极大的漏电流会使得二极管工作在很高的结温下，使得二极管很快的损坏。产生二极管软击穿特性的原因可能是表面沾污、晶格缺陷、表面沟道、PN结不平坦，扩散杂质浓度问题等。
 
  3．实验与分析 
  （1）不同基区掺杂浓度的快恢复二极管管芯的温度特性对比： 
  图2所示曲线为我们实验室生产的一批快恢复管芯，其中，B、C、D的反向耐压在1600V左右，E、F、G的反向耐压在900～1000V左右。   对一批管芯的测试发现，具有低基区掺杂浓度的管芯呈现负温度系数的比例很高，并且随着温度升高软特性逐渐明显；而具有较高基区掺杂浓度的管芯相当的比例呈现正温度系数。 
  由于二极管具有不同的基区掺杂浓度，所以在分析二极管的高温特性时我们就应选取不同的二极管模型。  
  当基区掺杂浓度较高时，而P⁺区不是很宽的情况下，我们可以把管芯等效为P⁺N突变结构。
 对于单边的P⁺NN⁺突变结，耗尽层扩展到掺杂为N_D的整个N区而以x=0及x=W处的平面为边界。当外加电压V等于击穿电压V_B时，在x=0点，电场(x)具有最大绝对值m。
 如果我们假定电子以其散射极限速度V_s通过W，则空间电荷电流I为：   其中，ə为载流子电荷密度，A为面积，由（1），（2）方程求得空间电荷引起的电场变为∆(x)为：   如果假设所有的载流子都产生在雪崩区宽度X_A之内，则漂移区(W-x_A)中的载流子所引起的电压变动可由∆(x)的积分得到:   若耗尽层宽度和电流密度都增大时，空间电荷效应可能引起大的V_B。例如，在N_D=10¹⁵cm^-3，A=5×10^-4cm²的SiP⁺N二极管中，击穿时的耗尽层宽度是18μm而X_A为6μm。由（6）式可得空间电荷电阻约为140Ω。电流密度为1000A/cm²时（I=0.5A），V_B=70V，这相当于击穿电压增加了约20%。
  当基区掺杂浓度较低时，二极管明显是PIN结构。PIN二极管的情况和P⁺N结有所不同；当外加反向电压正好大到足以造成雪崩击穿时，反向电流是小的。空间电荷的影响是可以忽略的，耗尽层的电场实际上是均匀的。当电流增加时，从PI边界注入更多的电子，而从NI界注入更多的空穴。这些空间电荷将使I区中心的电场i减小。在击穿时，出现在边界上的最大的电场实际上是固定的。因此当电流增加时，i降低，因而等于0^Wdx的电压降低。结果在PIN二极管总出现了负的增量电阻。
  空间电荷效应也可以很好的解释带有缓冲层结构的管芯为什么具有很好的温度特性。
  实验室所研制开发的RSD（Reversely Switched Dynistor）是一种具有正向阻断电压高、通流能力强、高di/dt、导通时间短、长寿命和重复率高等特点脉冲功率开关。现在采用新结构增加缓冲层之后使得管芯明显减薄，并且具有更好的温度特性。传统的结构和增加缓冲层之后的新结构的对比通过图4所示：   如图4所示，带缓冲层结构的基区掺杂浓度低于传统的基区浓度。由于RSD具有很高的阻断电压，因此它的基区掺杂浓度较低，很明显，传统的结构可以 采用PIN模型来分析，因此具有较明显的负温度特性。     
  而对于带缓冲层的新结构，本征基区宽度较窄，因此在反向耐压下，基区发生穿通，空间电荷区进入缓冲层。此处可以采用P⁺N突变结模型，根据载流子空间电荷在N基区产生的电场变化来分析，在高温情况下，本征基区已经发生穿通，故电场变化不大，但是在缓冲层由于载流子空间电荷的存在，使得缓冲层的漂移区出现一个附加电场，所以对外呈现耐压增大。因此带有缓冲层结构的RSD具有正温度特性。
  （2）正、负斜角管芯的温度特性对比：   管芯B、C台面为正斜角，D、E、F、G台面为负斜角，并且所有芯片都具有较好的硬特性。从温度曲线可以看出，击穿电压的温度系数的正负与台面的磨角并无直接的关系。但是在实验中发现采用负角保护的管芯在高温高压情况下出现软化的情况比例比较高，并且比较严重，在低压的情况下温度特性比较稳定。
 
  4．结论 
  （1）当基区掺杂浓度较高时，而P⁺区的又不是很宽的情况下，二极管等效为P⁺N突变结结构，在高温情况下，随着漏电流的增加，由于空间电荷效应的作用， 使得二极管呈现正阻效应，并且由于雪崩击穿的正温度系数的特性，使得管芯呈现很好的正温度系数特性； 
  当基区掺杂浓度较低时，二极管采用PIN结构，该结构在高温漏电流增加的时候，空间电荷使得I区的中心电场减小，从而使得击穿电压下降，出现了负阻效应，由于此时二极管的负阻效应占主导地位，而雪崩击穿随温度的升高而增加趋于次要地位，所以二极管管芯呈现负温度系数。并且发现，具有缓冲层结构的管芯高温特性更为优良。 
  （2）在功率半导体的台面保护方面，采用正负磨角都可以获得比较优良特性的管芯，但是从实验中也可以看出负磨角的管芯具有较差的高温特性，尤其是在高耐压情况下，并且查阅相关资料发现，在降低表面电场方面，正角的造型比负角更为有效。



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