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干货|快恢复二极管FRD的基本结构与工作原理

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发表于 2018-10-11 22:38:32 | 显示全部楼层 |阅读模式
  通常,额定电流超过1安培的半导体器件称为功率半导体。它们阻断电压范围从几伏一直到上万伏。在众多的功率半导体器件中,功率二极管是相对简单的一种器件,但它同时也是在电力电于电路中应用最为广泛的一种常用基础器件。它不仅应用于简单的整流电路,同时也常常用作续流二极管(Free Wheeling Diode,简称FWD),如图2-1所示的简单的单相半桥式逆变电路中,与可控的开关器件匹配,反并联使用,以继续维持感性负载上的电流,防止由于电流的突然跌落产生的电压尖峰。这种FWD的使用,在开关电源、变频电源、不间断电源、变频电机驱动等很多应用场合大量存在。

  快恢复二极管,具有反向阻断时高耐压低漏电流,正向低通态电阻大电流的特点。由于作为开关使用,因此一般需要其开关速度较快。另外,适当选择续流二极管的特性,尤其是反向恢复特性,如反向恢复时间和反向恢复软度,能够显著减少开关器件、二极管和其他电路元件的功耗,并减小由续流二极管引起的电压尖峰、电磁干扰,从而尽量减少甚至去掉吸收电路。
QQ截图20181011223735.jpg
图1 单相半桥式逆变电路  

  功率二极管与普通二极管的区别在于它具有额定工作电流大,阻断电压高的特点。因此,为了实现高耐压,不能使用普通的PN结结构,而是普遍采用如图2所示的P-i-N结构。
QQ截图20181011223745.jpg
图2  P-i-N二极管截面示意图
  P-i-N结构的二极管,在普通的PN结之间加了一个i区,代指轻掺杂的半导体区。由于PN结是通过耗尽区的扩展来承受压降的,因此,由泊松方程可知,耗尽区内的净电荷密度越小,电场斜率就越小,而又由于电场峰值处在PN结处,因此,轻掺杂一侧的半导体耗尽后,场下降缓慢,电压为电场在位置上积分,便可以承受较大的电压。因此,最好,在PN结之间有一个本征区(intrinsic region),这样,电场就可以平着一段距离,以实现较大耐压。i也就是英文本征的首字母,代表本征区的含义。但本征半导体在实际工艺中是不现实的,因此,
i区实际上是一个轻掺杂的半导体区。通常,这个i区是轻掺杂的N区,原因主要有两个:一是,通过使用中子嬗变的工艺,可制造出掺杂浓度低且非常均匀的N型掺杂;二是,对于同一给定电压级别,P+N结制成的器件厚度比N+P结制成的器件厚度要薄,同时器件功耗是与它们的厚度平方约成正比增加的。前面已经提到了P-i-N结构的P+N结区了,下面介绍剩下的N区的必要性。

  对于半导体与金属电几的接触,由于N型半导体不像P型半导体可以低掺杂一样容易与金属形成良好的欧姆接触,与其掺杂浓度低于1019cm-3时就会产生较高的接触电阻,因此,i区不能直接与金属电极相连,以免产生较大压降及过多功耗。通过在轻掺杂的i区侧添加一个重掺杂的N+层,便可以解决该问题。这也就形成了功率二极管P-i-N的基本结构。由于反偏状态下,PN结结角处会有电力线集中,因此简单的P-i-N二极管通常其耐压值更远小于相应的理想平行平面结的耐压。为了改善其耐压特性,通过引入结终端技术,回采用分压场环、保护环、场板、或使用台面结构、正斜角、负斜角终端来提高终端效率,实现最大程度的耐压。

  快恢复二极管正向的低阻,是通过PN结正偏时,向i区注入大量的等离子体(plasma),这些过剩的载流子浓度远超过i区平衡时的载流子浓度,形成对i区的电导调制来实现的。然而,这些注入的大量过剩载流子,在PN结反偏,也就是二极管关断时,却会大大拖慢器件的关断时间。由于i区通常要有一定的厚度来维持耐压,因此,器件在正偏工作时里面储存的少数载流子需要通过漂移、复合才能消失,但这是需要一定时间的,这也就形成了功率二极管的反向恢复过程。由于快恢复二极管通常与其他开关器件反并联使用,反向恢复过程严重制约了器件的高额性能,极大影响到其他器件以及整个系统的工作频率及性能,因此需要极力减小、消除。


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  掺杂的i区侧添加一个重掺杂的N+层,便可以解决该同题。这也就形成了快恢复二极管P-i-N的基本结构。
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发表于 2018-10-12 11:21:57 | 显示全部楼层
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发表于 2018-10-12 14:12:01 | 显示全部楼层
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