双基区结构快速软恢复二极管特性研究

王 建 梁 琳 李有康 李晓明 余岳辉



双基区结构快速软恢复二极管特性研究

王 建1梁 琳1李有康2李晓明2余岳辉1

（1. 华中科技大学光学与电子信息学院 武汉 4300742. 浙江正邦电力电子有限公司 缙云 321400）

为研究引入缓冲层的双基区结构对功率二极管反向恢复特性的改善作用，本文定量地讨论了缓冲层厚度和表面浓度对二极管的反向恢复时间、软度因子以及正向压降的影响。依据双基区结构设计须满足的条件，建立了双基区结构二极管模型，模型仿真结果表明缓冲层的厚度越小或者缓冲层表面浓度越高，二极管的软度因子越大，反向恢复时间越长，这是由缓冲层浓度梯度的影响引起的。结合具体工程项目的参数要求，即二极管反向恢复时间rr≤250ns，反向阻断电压B≥1 000V，正向压降F≤1V，给出了缓冲层厚度和表面浓度的最优值，即缓冲层厚度为70mm，表面浓度为1×1017cm-3。通过样品试制与特性检测实验，证明了双基区结构二极管的软恢复特性。

双基区结构 缓冲层 软恢复 二极管

0 引言

功率二极管可以应用于各种整流、变频和斩波等的电力电子功率变换电路中[1,2]，随着GTO、IGCT、IGBT和IEGT等为代表的大功率现代电力电子器件在电力电子领域的广泛应用，具有较硬恢复特性的快恢复二极管已经不能满足其应用条件[3-5]。如今的开关器件要求与之配套的功率二极管具有快而软的恢复特性[6,7]，以防止在反向恢复过程中因反向恢复电流下降速度d/d过大而产生高电压[8-10]，高电压会使二极管或者开关器件损坏。为了改善二极管的反向恢复特性，即提高软度因子和缩短反向恢复时间，国内外多采取少子寿命控制技术结合结构优化设计来实现[11,12]，少子寿命控制技术包括深能级杂质扩散和电子辐照等[13-16]，结构优化设计包括采用双基区结构和自调节发射效率结构等[17,18]。在这些改善二极管反向恢复特性的方案中，双基区结构可以明显地改善二极管的反向恢复特性，它是在传统的PIN二极管上加了一个缓冲层，即二极管的基区由基片的轻掺杂衬底N-区及较重掺杂的N区构成[19]。双基区结构设计的关键就是缓冲层的设计，到目前为止，文献中所涉及到的双基区结构快速软恢复二极管，基本上都是定性地阐述双基区结构的优越性，少见定量计算和分析。本文讨论了双基区结构二极管中缓冲层厚度和表面浓度对其恢复特性的影响，并结合工程项目提出了目标参数下缓冲层厚度和表面浓度的最优值，得到了实验验证，为双基区结构快速软恢复二极管的设计提供了一些参考。

1 二极管的反向恢复过程

图1给出了二极管反向恢复波形，其中F为通态峰值电流，dF/d为正向通态电流下降率，F为正向压降，RM为反向恢复峰值电流，RM为反向峰值电压，R为反向电压。从f时刻开始，正向导通的二极管两端突然加上反向电压，正向电流会以一定的速率dF/d减小，在0时刻减小为零，此时，电流的极性瞬时反转过来，而电压的极性保持正向偏置不变，只是正向压降稍有下降，这是因为空间电荷区的边缘积累起来的少数载流子还维持着，整个二极管仍然等效成为一个小电阻，0时刻后，n区的少数载流子空穴在外加电场的作用下被抽取到p区，同样，p区的少数载流子电子被抽取到n区，1时刻，抽取过程结束，此时反向电流上升至最大值RM，0～1时间段称为少数载流子的抽取过程。1时刻后，基区中剩下少量的少数载流子通过与多数载流子的复合作用而消失，1～2时间段称为少数载流子与多数载流子的复合过程。在这个过程中反向峰值电流RM会以较快的速率下降，如果下降速度过快，就会在线路电感中产生较高的感应电动势，这个电动势与电源电压加在二极管上使二极管两端承受很高的反向电压RM，从而损坏二极管或者开关器件。其中2由电流在0.9RM与0.25RM处的连线在时间轴上的交点决定。

图1 二极管反向恢复波形示意图

反向恢复时间的定义为

rr=2-0（1）

一般要求rr越小越好。软度因子的定义为

软度因子是描述恢复的软硬特性，软度因子要求越大越好，也就是说要求复合时间在整个恢复时间中占的比重越大越好，这样可以使复合时间变长，从而减小反向恢复电流的下降速度drr/d。

2 双基区二极管的结构和工作原理

双基区二极管结构示意图和浓度分布图如图2所示，它的主要特点是基区由N-区和N区两部分组成，N-是原始硅片的轻掺杂衬底区，N区则为较重掺杂区，掺杂浓度高于N-区，但远低于N+区，称N基区为缓冲基区或缓冲层。

图2 双基区二极管结构示意图和浓度分布图

缓冲层结构可以明显改善二极管的软度，这是由于缓冲层的掺杂浓度高于衬底的掺杂浓度，在反向恢复过程中，高掺杂的缓冲层减小了空间电荷区的展宽速度，使空间电荷区边缘堆积的少数载流子被抽取的数量和速度也会减少，从而使缓冲层留下更多的少数载流子通过复合作用而消失，增加了复合时间，提高了二极管的软度因子。

缓冲层的厚度和浓度须设置合理，才能使其改善二极管反向恢复特性的作用得以充分发挥。双基区结构快速软恢复二极管一般须满足：①N-基区必须足够窄，以保证额定电压下的空间电荷区展宽能够进入缓冲层，即缓冲层起到了截止电场的作用。 ②缓冲层的浓度应适宜，浓度不宜过高，以保证正向导通过程中发射区对基区有效的电导调制效应，也不宜过低，以保证空间电荷区不会穿通缓冲层[20]。

3 仿真结果分析与讨论

3.1 模型建立

针对硅基双基区结构快速软恢复二极管，利用器件仿真软件进行结构设计及特性仿真。具体包括以下三个方面：定义二极管的结构；使用类Spice句型的混合电路仿真；对二极管进行静态和瞬态特性分析。二极管模型考虑了SRH复合、俄歇复合、禁带变窄、横向电场和碰撞电离等效应，其中载流子寿命和迁移率均受掺杂浓度影响。

结合具体工程项目需求，快速软恢复二极管设计目标定为：反向恢复时间rr≤250ns，反向阻断电压B≥1 000V，正向压降F≤1V。部分参数确定如下：P+区结深为70mm，P+区表面浓度为1×1019cm-3，N+区结深为20mm，N+区表面浓度为1×1020cm-3，N-区的厚度为40mm，N-区的平均浓度为1×1014cm-3，仿真过程中重点讨论缓冲层的厚度和表面浓度的影响。

图3给出了二极管反向阻断特性曲线和两端加上1 000V的反向电压时的电场分布。从图3a中可以看出，二极管的反向阻断电压大于1 000V；图3b可以看出，二极管两端加上1 000V的反向电压时，电场在缓冲层中截止，说明空间电荷区的展宽已经进入了缓冲层，并且未穿通缓冲层，满足了额定电压下的空间电荷区的展宽能够进入缓冲层且未穿通缓冲层，符合双基区二极管设计的条件，图中20～90mm为缓冲层。

图3 二极管反向阻断特性曲线图和两端加上反向电压1 000V时的电场分布图

为了证明双基区结构二极管具有良好的软恢复特性，仿真中选择用普通PIN结构二极管进行对比，普通PIN结构二极管相比双基区结构二极管少了一个缓冲层。仿真结果如图4所示，从图中可以明显看出双基区结构二极管软度因子远大于普通PIN结构二极管，充分说明了双基区结构二极管可明显改善二极管软恢复特性。

3.2 缓冲层厚度的影响分析

保持缓冲层表面浓度1×1017cm-3不变，调整缓冲层厚度从40mm变化至180mm，可以得到不同缓冲层厚度时的反向恢复电流波形和正向压降波形如图5所示。从图5a中可以看出，缓冲层较薄时，软度因子越大，反向恢复时间也越长；从图5b中可以看出缓冲层较厚时，正向压降越高。图6综合表示了缓冲层厚度对快速软恢复二极管特性的影响，可见，当缓冲层表面浓度保持不变时，缓冲层厚度减小，也就是二极管的片厚变薄，二极管的软度越大，反向恢复时间变长，正向压降减小。折中考虑，缓冲层厚度选择70mm比较合适。此时反向恢复时间为250ns，软度因子可以达到1.2，正向压降为0.88V。

图5 不同缓冲层厚度时的反向恢复特性比较

图6 缓冲层厚度对快速软恢复二极管特性的影响

图7给出了少数载流子抽取完成时刻（1）空穴浓度分布图，从图7中可以看出，在复合过程即将开始时，缓冲层厚度越小，在缓冲层中留下的空穴浓度也就越高，从而使复合时间增加，复合过程变长，软度因子变大，反向恢复时间变长。

图7 抽取过程完成时刻（t1）空穴浓度分布图

3.3 缓冲层表面浓度的影响分析

保持缓冲层厚度70mm不变，调整缓冲层表面浓度从1×1015cm-3变化至1×1017cm-3，可以得到不同缓冲层表面浓度时的反向恢复电流波形和正向压降测试波形如图8所示。从图8a中可以看出，缓冲层表面浓度越高时，软度因子越大，反向恢复时间也越长。从图8b中可以看出，缓冲层表面浓度变化时，正向压降无明显变化。图9表示缓冲层表面浓度对快速软恢复二极管特性的影响，可见，当缓冲层厚度保持不变时，缓冲层表面浓度增加，二极管的软度变大，正向压降没有明显变化，而反向恢复时间会增加。折中考虑，缓冲层表面浓度选择1×1017cm-3比较合适。此时反向恢复时间为250ns，软度因子可以达到1.2，正向压降为0.88V。

图8 不同缓冲层表面浓度时的反向恢复特性比较

图9 缓冲层表面浓度对快速软恢复二极管特性的影响

图10给出了少数载流子抽取完成时刻（1）空穴浓度分布图，从图10中可以看出，在复合过程即将开始时，缓冲层表面浓度越高，在缓冲层中留下的空穴浓度也就越高，从而使复合时间增加，复合过程变长，软度因子变大，反向恢复时间变长。

图10 抽取过程完成时刻（t1）空穴浓度分布

3.4 结果分析

通过对双基区结构二极管中缓冲层厚度和表面浓度对其特性影响的仿真，两种情况可以得到统一的解释，都可以视作缓冲层浓度梯度对二极管特性的影响，当二极管的厚度不变时，增加缓冲层的表面浓度，缓冲层的浓度梯度会变大，反之则减小。当二极管的缓冲层的表面浓度不变时，减小缓冲层的厚度，缓冲层的浓度梯度也会变大，反之则减小。所以均可解释为缓冲层浓度梯度对二极管恢复特性的影响，即缓冲层的浓度梯度较大时，二极管的软度因子较大，而反向恢复时间会相应地增加。分析其原因，缓冲层的浓度梯度越大，在二极管反向恢复过程中缓冲层对空间电荷区展宽的抑制作用就越强，这样就会使更多的少数载流子空穴留在缓冲层通过复合作用消失，从而增加了复合时间，这样就使软度变大，恢复时间变长。

4 实验与讨论

为了验证双基区结构二极管具有良好的反向恢复特性，流片实验中，选取了电阻率为20Ω·cm的硅片，硅片的厚度为300mm。其中缓冲层厚度为67mm，缓冲层表面浓度为1×1017cm-3，少子寿命控制采用扩铂，阻断电压为900V。

选取10只双基区结构二极管测试其反向恢复波形，结果见下表。

表 双基区结构二极管反向恢复特性测试结果

图11为软度因子与反向恢复时间分布图，从图中可以看出，所选的10只样品的反向恢复时间以及软度因子，反向恢复时间在180～220ns之间，软度因子在0.55～0.80之间，具有一定的软恢复特性。

图11 软度因子与反向恢复时间分布

图12为双基区结构和普通PIN结构二极管的反向恢复电流波形仿真和实验对比图。其中曲线1和2分别为相同测试条件下的双基区结构二极管的仿真和实验反向恢复电流波形图，曲线3为普通PIN结构二极管的实验所测反向恢复电流波形图，从曲线1和曲线2可以看出双基区结构二极管的仿真波形与实验测试波形基本吻合，软度因子均为0.7，证明了仿真建模的有效性，从曲线3可以看出普通PIN结构二极管的软度因子仅为0.4，远小于双基区结构二极管，可见双基区结构二极管的缓冲层发挥了至关重要的作用。

图12 测试与仿真波形对比

5 结论

本文通过对双基区结构中缓冲层厚度与表面浓度的仿真，可以得出如下结论：

（1）缓冲层表面浓度保持不变时，缓冲层厚度减小，二极管的软度越大，反向恢复时间变长，正向压降减小。

（2）缓冲层厚度保持不变时，缓冲层表面浓度增加，二极管的软度变大，反向恢复时间变长，正向压降没有明显变化。论文结合具体工程项目的参数要求计算了缓冲层厚度和表面浓度的最优值，在一定的反向恢复时间要求下，通过优化设计使软度因子达到最大值。最后通过实验验证了双基区结构对二极管软恢复特性的改善作用。

[1] Lutz J, Baburske R, Chen M, et al. The nn+-junction as the key to improved ruggedness and soft recovery of power diode[J]. IEEE Transactions on Electronic Devices, 2009, 56(11): 2825-2832.

[2] 陈威, 戎萍, 张伟, 等. DC-DC变流器整流二极管零电流软关断方法[J]. 中国电机工程学报, 2010, 30(15): 24-31.

Chen Wei, Rong Ping, Zhang Wei, et al. Method of zero current turn-off technique for rectifier diode in DC-DC converters[J]. Proceedings of the CSEE, 2010, 30(15): 24-31.

[3] 易荣, 赵争鸣, 袁立强. 高压大容量变换器中快恢复二极管的模型[J]. 电工技术学报, 2008, 23(7): 63-80.

Yi Rong, Zhao Zhengming, Yuan Liqiang. Fast recovery diode model for circuit simulation of high voltage high power three level converters[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2008, 23(7): 63-80.

[4] Humbel O, Galster N, Dalibor T, et al. Why is fast recovery diode plasma-engineering with ion-irradiation superior to that with emitter efficiency reduction[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2003, 18(1): 23-29.

[5] 李方正, 徐勤富, 赖建军, 等. PiN 二极管的一种改进型PSpice模型[J]. 电工技术学报, 2011, 26(1): 172-176.

Li Fangzheng, Xu Qinfu, Lai Jianjun, et al. An improved power PiN diode model for PSpice[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2011, 26(1): 172-176.

[6] Domeij M, Lutz J, Silber D. On the destruction limit of Si power diodes during reverse recovery with dynamic avalanche[J]. IEEE Transaction on Electron Devices, 2003, 50(2): 486-493.

[7] 马丽, 高勇. 半超结SiGe高压快速软恢复开关二极管[J]. 物理学报, 2009, 58 (1): 529-535.

Ma Li, Gao Yong. Semi-super junction SiGe high voltage fast and soft recovery switching diodes[J]. Acta Physica Sinica, 2009, 58 (1): 529-535.

[8] 陈曦, 王瑾, 肖岚. 用于高压高频整流的二极管串联均压问题[J]. 电工技术学报, 2012, 27 (10): 208-214.

Chen Xi, Wang Jin, Xiao Lan. Research on the voltage sharing in series coupled diodes for high voltage and high frequency rectifier applications[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2012, 27 (10): 208-214.

[9] Rahimo M T, Shammas N Y A. Freewheeling diode reverse-recovery failure modes in IGBT applications[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2001, 37(2): 661-670.

[10] 王振民, 张芩, 薛家祥, 等. 快速功率二极管正反向恢复特性仿真研究[J]. 电力电子技术, 2007, 41(5): 92-94.

Wang Zhenmin, Zhang Cen, Xue Jiaxiang, et al. A simulation research on the forward and reverse recovery characteristics[J]. Power Electronics, 2007, 41(5): 92-94.

[11] 凌晨, 葛宝明, 毕大强. 配电网中的电力电子变压器研究[J]. 电力系统保护与控制, 2012, 40(2): 35-39.

Ling Chen, Ge Baoming, Bi Daqiang. A power electronic transformer applied to distribution system[J]. Power System Protection and Control, 2012, 40(2): 35-39.

[12] Baburske R, Heinze B, Lutz J, et al. Charge-carrier plasma dynamics during the reverse-recovery period in p+-n−-n+diodes[J]. IEEE Transaction on Electron Device, 2008, 55(8): 2164-2172.

[13] 陈曦, 田敬民, 李守智. 快速软恢复二极管局域寿命控制数值分析[J]. 电力电子技术, 2002, 36(6): 70-72.

Chen Xi, Tian Jingmin, Li Shouzhi. Numerical analysis of local lifetime control for fast soft recovery diode[J]. Power Electronics, 2002, 36(6): 70-72.

[14] Vobecký J, Hazdra P. High-power P-i-N diode with the local lifetime control based on the proximity gettering of platinum[J]. IEEE Electron Device Letters, 2002, 23(7): 392-394.

[15] 高金辉, 唐静, 贾利锋. 太阳能电池参数求解新算法[J]. 电力系统保护与控制, 2012, 40(9): 134-136.

Gao Jinhui, Tang Jing, Jia Lifeng. A novel parameter extraction method for solar cells[J]. Power System Protection and Control, 2012, 40(9): 134-136.

[16] Vobeckyy J, Hazdra P, Zaahlava V. Helium irradiated high-power P-i-N diode with low on-state voltage drop[J]. Solid-State Electronics, 2003, 47(1): 45-50.

[17] Felsl H P, Heinze B, Lutz J. Effects of different buffer structures on the avalanche behaviour of high voltage diodes under high reverse current conditions[J]. IEE Proceedings of Circuits Devices System, 2006, 153(1): 11-15.

[18] Schlangenotto H, Serafin J, Sawitzki F, et al. Improved recovery of fast power diodes with self-

adjusting pemitter efficiency[J]. IEEE Electron Device Letters, 1989, 10(7): 322-324.

[19] 张斌. 快恢复二极管发展与现状[J]. 电力电子技术, 2010, 34(1): 20-23.

Zhang Bin. The reviews and status of fast recovery diodes[J]. Power Electronics, 2010, 34(1): 20-23.

[20] 张海涛, 张斌, 王均平. 采用缓冲层结构的软恢复二极管研究[J]. 电力电子技术, 2003, 37(2): 79-81.

Zhang Haitao, Zhang Bin, Wang Junping. Study of soft recovery diode with buffering base region by the diffusion[J]. Power Electronics, 2003, 37(2): 79-81.

Investigation of the Characteristics of Fast Soft Recovery Diode with Double-Base Region Structure

11221

（1. Huazhong University of Science and Technology Wuhan 430074 China 2. Zhejiang ZhengBang Power Electronics Co., Ltd Jinyun 321400 China）

In order to study the improvement of the double-base region structure with buffer layer on the power diode’s reverse recovery characteristics, the influences of the buffer layer thickness and the surface concentration on the diode reverse recovery time, softness factor, and forward voltage drop are quantitatively discussed. The double-base region structure model satisfying the necessary conditions is established. The model simulation results show that the softness factor and the reverse recovery time can both be increased through decreasing the thickness or adding the surface concentration of the buffer layer, which is caused by the influence of the concentration gradient of the buffer layer. According to the project requirements, the reverse recovery time (rr) is less than 250ns, the reverse blocking voltage (B) is greater than 1 000V and the forward voltage drop (F) is less than 1V. The optimum buffer layer thickness and surface concentration level are 70mm and 1×1017cm-3, respectively. The soft recovery characteristics of the diode with the double-base region structure are demonstrated by prototyping and feature detection experiments.

Double-base region structure, buffer layer, soft recovery, diode

TN312

王 建 男，1988年生，硕士研究生，研究方向为电力电子器件及其应用。

梁 琳 女，1981年生，博士，副教授，研究方向为电力电子器件及其应用。（通信作者）

2013-06-28 改稿日期 2013-08-06