快速软恢复二极管的计算机.docx

1、快速软恢复二极管的计算机 快速软恢复二极管的计算机仿真设计 摘 要随着电力电子技术的发展，各种新型半导体器件制造技术的不断进步，频率性能不断提高，这对与之配套使用的快恢复二极管提出了更高的要求。它要求功率开关二极管必须具有快速开通和高速关断的能力，即具有短的反向恢复时间trr，较小的反向恢复电流IRM和软恢复特性。本文首先回顾了电力电子器件的发展过程以及快速恢复二极管的发展现状，介绍了快速软恢复二极管的基本工作原理，对开通和关断特性以及其影响因素进行了详细的分析；通过分析反向恢复时间和软度因子的影响因素，在器件的设计与制作工艺上采取少子寿命控制技术和采用新型结构来改善二极管的性能。本次设计采用

2、PiN结构，对PiN结构参数进行精确的设计，采取确定值的方法来设计高阻区（i区）厚度和掺杂浓度；并介绍PiN二极管的性能参数以及分析了影响性能参数的因素。根据计算出的结构参数，利用计算机模拟软件Medici对设计的结构进行仿真，并优化了器件的基区掺杂浓度和厚度、PN结网格宽度等主要的结构参数。最后重点对器件的关断特性进行模拟验证，并对结果进行理论分析，总结出影响关断特性的主要因素有i区厚度、杂质掺杂浓度、少子寿命；模拟结果得到的反向击穿电压VPT =1400V、反向恢复时间trr =10ns，表明模拟的结果和理论设计相符，验证了理论设计的正确性；并达到本次设计的预期目标。关键词：二极管；快速恢

3、复；软度因子；Medici , , . , trr, IRM . -, , . P iN-, PIN- , (i ) , PiN- . , PN . , , , - , , , VPT = 1400V, trr = 10ns, . ：； ； ； Medici目 录摘 要 I II第1章 绪论 11.1 电力电子器件的发展概况 11.2 快速二极管在国、内外的发展现状 21.3 快速软恢复二极管研制的意义 2第2章 快速软恢复二极管的结构和性能 42.1 快速软恢复二极管的结构特点 42.1.1 PN结的发展 42.1.2 PiN的结构PiN的结构 52.2 快速软恢复二极管的性能特点 52.3

4、 快速软恢复二极管的工作原理 62.3.1 开通特性 62.3.2 关断特性 62.4 快速软恢复二极管的影响因素和改善方法 92.4.1 反向恢复时间的影响因素 92.4.2 软度因子的影响因素 92.4.3 改善PiN二极管性能的主要方法 9第3章 PiN二极管的结构设计 103.1 PiN二极管的性能参数 103.2.1 正向导通压降 103.1.2 反向峰值电压 113.1.3 反向漏电流 113.1.4 反向恢复时间 133.1.5 软度因子 133.2 PiN二极管结构参数的设计 143.2.1 高阻区(i区)的参数设计 183.2.2 P区和N区的参数设计 19第4章 快速软恢复

5、二极管的计算机仿真分析 204.1 Medici的使用 204.1.1 Medici软件概述 204.1.2 利用Medici模拟器件结构 224.1.3 利用Medici模拟器件所选用的模型 264.2 PiN二极管的反向阻断特性的仿真分析 294.3 PiN二极管的反向恢复特性的仿真分析 34第5章 PiN二极管的工艺制备 39第6章 结论 40参 考 文 献 41致 谢 43第1章 绪论1.1 电力电子器件的发展概况1956年可控硅整流器(英文缩写SCR，泛称晶闸管)的发明并于次年由GE公司推出商品，是半导体应用由弱电跨入强电的里程碑。其后平面工艺和外延技术的发明，又使半导体器件向两大分

6、支发展：一支形成了以半导体集成电路为主体的新兴学科一微电子学；另一分支则是以晶闸管为主体的电力半导体分立器件，为解决电力电子与控制技术形成了以静态功率变换和电子控制为主要内容的新兴边缘学科电力电子学。电力电子技术的主要任务是利用功半导体器件来实现电能的高效率传输、转换及其过程中的有效精确控制，实现对电能的优质、高效的利用，这对解决能源危机、改善环境和实现可持续发展有着重大的意义。而半导体器件作为电力电子电路的核心器件，广泛的应用在工业、民用、军事、航空和航天领域。电力电子技术的发展也就是电力电子半导体器件不断推陈出新的过程，历史上的每一代新型半导体器件的出现，总会带来一场电力电子技术的革命。通

7、常认为，半导体器件的发展经历了以下几个阶段：20世纪60年代（整流器时代），这一阶段开始于1957年美国GE公司制造出历史上第一支晶闸管（SCR），广泛使用的半导体器件是双极型功率晶体管和晶闸管，它们主要用在工频交流电转变为直流电的高效硅整流器中；20世纪70年代（逆变器时代），这一阶段出现了可用于逆导晶闸管、巨型晶闸管（GTR）和门极可关断晶闸管（GTO），此阶段逆变技术因节能效果显著而得到迅速发展，但开关频率仍仅限于中低频应用；20世纪80年代（变频器时代），大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展，为半导体器件的发展提供了基础。将集成电路的精细加工技术和高压大电流技术有机结合，出现了一批全

8、新的全控型功率器件。首先是功率MOSFET的问世，使中小功率设备向高频化发展，而后绝缘栅晶体管（IGBT）的问世，则为大中型功率设备向高频化发展提供了支持；20世纪90年代至今，智能功率模块（Intelligent Power Modules-IPM）研制成功，将功率半导体器件与驱动电路和电流、电压传感电路等集成在一块功率芯片上，使电力电子电路向着集成化、小型化、高可靠性和低成本的方向发展。功率集成电路近些年发展极为迅速，是今后研究的热点，具有很大的市场潜力1-3。总之，从1957年第一支晶闸管的问世，功率半导体器件经历了从快速晶闸管，到可关断晶闸管；从大功率晶体管到功率MOSFET，再到后来

9、的IGBT，功率半导体器件经历了从低工作频率到高工作频率，从半控到全控、从电流控制型北京工业大学工学硕士学位论文到电压控制型，从单个元件到集成模块化智能化的发展历程。可以预料，今后很长的一段时期，将是电力电子技术和功率半导体器件飞速发展的时期，将给中国的工业进步带来巨大益处，也为中国的可持续发展带来巨大动力。1.2 快速二极管在国、内外的发展现状随着电力电子技术的发展，各种变频电路、斩波电路的应用不断扩大，这些电力电子电路中的主回路不论是采用换流关断的晶闸管，还是采用有自关断能力的新型电力电子器件，如GTO，MOSFET，IGBT等，都需要一个与之并联的快恢复二极管，以通过负载中的无功电流，减

10、小主开关器件电容的充电时间，同时抑制因负载电流瞬时反向时由寄生电感感应产生的高电压。近几年来，随着新型半导体器件制造技术的不断进步，电力电子电路中的主开关器件VDMOS、IGBT等新型半导体器件的设计与制造取得了巨大的进步，频率性能不断提高，这对与之配套使用的快恢复二极管提出了更高的要求。所以，该二极管必须具有快速开通和高速关断的能力，即具有短的反向恢复时间trr，较小的反向恢复电流IRRM和软恢复特性。目前,国内快速二极管的最好参数为:正向平均电流3000A,反向恢复峰值电压4500V,反向恢复时间5s。现在这些二极管一般采用电子辐照控制少子寿命,其软度因子在0.35左右,特性很硬。国际上快

11、速二极管的最好参数为:正向平均电流2500A,反向重复峰值电压3000V,反向恢复时间300ns,软度因子较小4。1.3 快速软恢复二极管研制的意义在低压领域，肖特基二极管以及MPS（Merged P-I-N and Schottky Diode）整流管以具有高开关速度和低通态压降，是首选器件。在高压领域，因为肖特基二极管以及MPS整流管的反向击穿电压低且高温下的反向漏电流较大，不能应用于此领域，而具有PiN结构的快恢复二极管以高耐压和高开关速度成为高压领域应用的首选器件，是本文研究的重点5。快恢复二极管各参数之间存在着折衷关系，主要是正向导通特性、反向恢复特性，及反向击穿特性等之间各参数的矛

12、盾；主要的性能参数包括正向压降、反向峰值电流、反向恢复时间、软度因子、阻断电压、漏电流。我们只能在各参数之间取其折衷而无法实现所有特性参数的最优值，在取得一项或几项参数优化的同时，不过多牺牲其它参数，实现器件综合性能在一定方向上的优化。PiN二极管的P区和N区有很高的掺杂浓度，在保证正向大注入和i区高度电导调制的同时，也增加了反向恢复时的抽取电荷量，延长了反向恢复时间，因此PiN二极管的i区结构，对器件特性也有很重要的影响，这就产生了漂移区控制技术。寿命控制技术是近年来快恢复二极管研究领域的热点问题，通过在器件结构的特定位置引入复合中心来缩短正向注入时的少数载流子寿命，进而缩短反向恢复时间。因

13、此寿命控制技术是当今国际寿命控制技术研究的前沿5。第2章 快速软恢复二极管的结构和性能2.1 快速软恢复二极管的结构特点2.1.1 PN结的发展如果半导体内存在一个物理界面，界面两侧分别是P型半导体和N型半导体，则在界面附近会形成一个极薄的特殊区域，称为PN结。PN结并不是简单的P型和N型半导体材料压合在一起，它是根据“杂质补偿”的原理，采用合金法或平面扩散法等半导体工艺制成的。虽然PN结的物理界面把材料分为P区和N区，但整个材料仍然保持完整的晶体结构。当一块P型半导体与一块N型半导体结合时，P区的空穴浓度远大于N区，N区的电子浓度远大于P区，存在着很大的载流子浓度差。P区的空穴向N区扩散，与

14、N区的电子中和，N区的电子向P区扩散，与P区的空穴中和，界面附近，P区留下了带负电的负离子，N区留下了带正电的正离子，形成了空间电荷区，这个空间电荷区称为PN结，如图2-1所示。由于空间电荷区内无载流子，所以叫耗尽层。随着PN结的形成，建立了PN结电场。这个电场称为内电场，向由N型区指向P型区7。图2-1 PN结的空间电荷区结构2.1.2 PiN的结构PiN的结构所谓PIN二极管是由重掺杂的P型区和N型区之间夹一接近本征型的高电阻率i层构成，其一般结构，其一般结构如图2-2所示。i层厚度由反向耐压和正向电流决定。在热平衡时的能带图、载流子分布、空间电荷及电场分布如图2-2所示。图2-2 PIN

15、二极管 的结构、能带、载流子分布空间电荷机电场分布2.2 快速软恢复二极管的性能特点高频化的电力电子电路不仅要求快速恢复二极管的正向恢复特性较好，即正向瞬态压降小，恢复时间短；更要求反向恢复特性也较好，即反向恢复时间短，反向恢复电荷少，并具有软恢复特性，具体归纳为：（1）反向恢复时间trr要短，以加快器件的开关速度，降低器件的开关损耗和提高电力电子电路的工作频率；（2）反向恢复峰值电流IRM要小，防止主开关器件因通过大电流而烧毁；（3）反向恢复软度因子S要大，以减小器件反向恢复过程中的电压过冲和电压振荡，提高器件工作的稳定性和可靠性；（4）反向漏电流IR要小，以减小器件在关断状态下的功率损耗；

16、（5）正向通态压降VF要小，以减小器件在导通状态下的功率损耗。以达到这些要求为基本目标，2.3 快速软恢复二极管的工作原理恢复过程很短的二极管,特别是反向恢复过程很短的二极管称为快速恢复二极管。2.3.1 开通特性二极管的开通有一个过程，开通初期出现较高的瞬态压降，经过一段时间后才能处于稳定状态，具有较小的管压降。也就是说，二极管开通初期具有明显的“电感效应”，不能立即相应正向电流的变化。开通时二极管呈现的电感效应,除了器件内部机理的原因之外,还与引线长度、器件封装采用的磁性材料等因素有关。电感效应对电流的变化率最敏感,因此开通时二极管电流的上升率diF/dt越大,峰值电压VFP就越高,正向恢

17、复时间也越长。2.3.2 关断特性所有的PN结二极管,在传导正向电流时,都将以少子的形式储存电荷。少子注入是电导调制的机理,它导致正向压降VF的降低,这对PN结二极管的工作是有利的。但是当正在导通的二极管突然加一个反向电压时,由于导通时在PN结区有大量少数载流子存贮起来,故到截止时要把这些少数载流子完全抽出或是中和掉是需要一定时间的,即反向阻断能力的恢复需要经过一段时间,这个过程就是反向恢复过程,发生这一过程所用的时间定义为反向恢复时间trr。值得注意的是在未恢复阻断能力之前,二极管相当于处于短路状态。全部恢复过程如图2-3所示。 图2-3 反向恢复过程中的电流和电压波形其中,IRM为最大反向

18、恢复电流,VRM为最大反向恢复电压,QR为反向恢复电荷, trr为反向恢复时间,这几个参数是器件设计中最重要的参数。从时间t=tf开始,已经导通的二极管加反向电压VR,原来导通的正向电流以diF/dt的速率减小,直到t0时正向电流为0。当t=t0时,二极管中的电流等于零。在这之前二极管处于正向偏置,电流为正向电流。在t0时刻后,正向压降稍有下降,但仍处于正向偏置,电流开始反向流通,形成反向恢复电流irr。从t0到t1是清除过剩少数载流子的时间,称为少数载流子存储时间ta,在这段时间中,二极管反向电流irr从零上升至其峰值IRM。二极管基区中的空穴由阳极侧被抽出,电子由阴极侧被抽出,表现为反向电

19、流。当二极管电流换向时,一部分内部储存电荷通过反向抽取被快速扫出,剩余的储存电荷则通过复合以及在二极管和有关电路元件中的反向电流环流而减小。ta期间流通的电流可能相当大在普通二极管中尤其如此,但此时PN结电压降略有一些减小但仍是正向的,外加反向电压由电感L承受。因此,由于二极管上的低电压, ta期间二极管上功率损耗为最小。然而,开关器件中的功率耗散可能很高,这是因为在其承受电路满电压的同时,还承载了全部的二极管反向电流。总之,反向电流较低的二极管可使功率开关在较低的温度下工作。当t=t1时,电荷Q1已被抽走,反向电流已达到最大值IRM,二极管开始恢复阻断能力。在这一时刻之前,电源电压由线路电感

20、来平衡,但在电流最大值IRM时, diF/dt=0,电感电压等于零,电源电压由二极管来平衡。此时,二极管电压包括其内部PN结电压和附加电阻上的电压。在tt1之后,因为少数载流子已不充分,空间电荷区少数载流子浓度pn0、np0已清除为零,反向恢复电流迅速下降,下降速率dirr/dt较高,在线路电感中产生较高的电动势,这个电势与电源电压一起加在二极管上,所以二极管承受很高的反向电压VRM。从t1到t2这段时间称为复合时间tb,即反向电流irr从其峰值IRM降至零所需的时间。由于tb期间,在二极管承受高压的同时亦有大的反向电流流通,所以二极管内将有显著的功率耗散。为了减小tb期间的功率损耗,应采用t

21、b最短的二极管。从t0到t2这段时间称为反向恢复时间trr, t2由电流在0.9IRM与0.25IRM处的连线在时间轴上的交点决定。在tt2之后, dirr/dt逐渐减小为零,电感电压等于零,二极管承受电源电压VR。这时电荷Q2也被复合完。二极管处于承受静态反向电压阶段。用软化系数S来描述反向恢复电流: （2-1）反向恢复电流的下降速度是一个重要的参数。若dirr/dt过大,由于线路存在电感L,则会使反向峰值电压VRM过高,有时出现强烈振荡,致使二极管损坏,可以用软特性和硬特性的概念来表示dirr/dt对反向特性的影响。定义反向恢复电荷QR为trr期间电流-时间曲线包围的面积,QR是一个很重要

22、的参数,若QR少则反向恢复时间trr短,最大反向恢复电流小。这是快速二极管与普通整流二极管的根本区别之处。反向恢复电荷QR与二极管正向电流、dirr/dt以及结温有关。正向电流和电流变化率增加, QR增加。结温增加之后,载流子寿命增加,反向恢复时间相应上升,所以QR也会增加。耗尽储存电荷所需总的时间定义为反向恢复时间trr,作为开关速度的量度,它是选用二极管时的一个非常重要的参数,一般用途的二极管trr为25s左右,使用在整流以及频率低于1kHz以下的电路中是可以的,但用于斩波和逆变电路中,必须选用trr在5s以下的快速恢复二极管,在一些吸收电路中要求快开通和软恢复二极管610。2.4 快速软

23、恢复二极管的影响因素和改善方法2.4.1 反向恢复时间的影响因素对于PIN二极管来说,由文献6可知: （2-2）可见, trr的大小取决于二极管本身的基区少子寿命p及二极管的正、反向电流。2.4.2 软度因子的影响因素由软度因子定义可知,它其实就是反映二极管在反向恢复的tb过程中基区少子因复合而消失的时间长短。所以,软度因子与少子寿命控制方法、基区宽度和扩散浓度分布、元件结构及结构参数等有密切的关系。在空间电荷区扩展后的剩余基区内驻留更多的残存电荷,并驻留更长的时间将提高软度因子。2.4.3 改善PiN二极管性能的主要方法虽然PiN管具有良好的反向耐压能力,但是由于其反向恢复特性较差,在反向恢

24、复期间产生较大的反向峰值电压,从而影响整个电路的正常工作,其次一个实际的PiN整流器,开通瞬间正向压降幅值要比稳态压降高一个数量级,该电压峰值可以超过30V,这主要是由少子有限的扩散速度造成的,它与n基区材料电阻率及基区宽度有关。为了改善二极管的工作特性,在器件的设计与制作工艺上我们采取了少子寿命控制技术和采用新型结构。第3章 PiN二极管的结构设计3.1 PiN二极管的性能参数PiN二极管的主要重要性能参数包括：正向压降VF、反向击穿电压VBR、反向漏电流IR、反向恢复时间trr、反向峰值电流IRM以及反向恢复软度因子S。他们表征的物理意义可以归结为：正向压降表征正向导通损耗，压降VF低，正

25、向导通损耗就比较小；反向恢复时间表征从正向导通到反向关断过渡过程的损耗，trr小，这一过渡过程的损耗就较小；软度因子S与器件稳定性和可靠性有关；反向峰值电流是反向恢复时间和软度因子的综合表征；反向漏电流表征反向关断损耗，IR小，关断损耗就较小；击穿电压是与漏电流相关的参数，也与器件设计有关。在进行器件设计时，必须对这些重要参数之间关系进行考虑，力求达到最优化的综合性能，下面便对这些参数进行逐一介绍。3.2.1 正向导通压降正向压降VF是在一定的正向电流条件下降落在二极管上的电压降，它决定着二极管的正向导通损耗。正向压降一般由三部分组成：P+N结压降VP、N+N压降VN和漂移区（即N区，i区）压降VI，即： （3-1) 一般快速二极管的i区较宽，正向压降以漂移区压降为主，所以i区压降是我们讨论的重点： （3-2）其中： DH为大注入下双极扩散系数 H 为大注入载流子寿命 w为i区宽度所以，正向压降为: （3-3）由式33可以看出，在其它条件不变的情况下，提高大注入寿命会减小正向压降，但也造成正向时存储的电荷的增加，不利于反向恢复，会使反向恢复时间增加，这就形成了VF和trr之间的矛盾。在大电流的情况下，载流子之间的散射和俄歇复合使扩散系数和载流子寿命下降，导致正向压降上升，因此一般二极管在大电流下正向特性会变坏