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快恢復二極管FRD的基本結構與工作原理

快恢復二極管FRD的基本結構與工作原理

2022/4/29 14:50:25

通常,額定電流超過1安培的半導體器件稱為功率半導體。它們阻斷電壓范圍從幾伏一直到上萬伏。在眾多的功率半導體器件中,功率二極管是相對簡單的一種器件,但它同時也是在電力電于電路中應用最為廣泛的一種常用基礎器件。它不僅應用于簡單的整流電路,同時也常常用作續流二極管(簡稱FWD),簡單的單相半橋式逆變電路中,與可控的開關器件匹配,反并聯使用,以繼續維持感性負載上的電流,防止由于電流的突然跌落產生的電壓尖峰。這種FWD的使用,在開關電源、變頻電源、不間斷電源、變頻電機驅動等很多應用場合大量存在。

 

快恢復二極管具有反向阻斷時高耐壓低漏電流,正向低通態電阻大電流的特點。由于作為開關使用,因此一般需要其開關速度較快。另外,適當選擇續流二極管的特性,尤其是反向恢復特性,如反向恢復時間和反向恢復軟度,能夠顯著減少開關器件、二極管和其他電路元件的功耗,并減小由續流二極管引起的電壓尖峰、電磁干擾,從而盡量減少甚至去掉吸收電路。

功率二極管與普通二極管的區別在于它具有額定工作電流大,阻斷電壓高的特點。因此,為了實現高耐壓,不能使用普通的PN結結構,而是普遍采用P-i-N結構。

P-i-N結構的二極管,在普通的PN結之間加了一個i區,代指輕摻雜的半導體區。由于PN結是通過耗盡區的擴展來承受壓降的,因此,由泊松方程可知,耗盡區內的凈電荷密度越小,電場斜率就越小,而又由于電場峰值處在PN結處,因此,輕摻雜一側的半導體耗盡后,場下降緩慢,電壓為電場在位置上積分,便可以承受較大的電壓。因此,最好,在PN結之間有一個本征區,這樣,電場就可以平著一段距離,以實現較大耐壓。i代表本征區的含義,但本征半導體在實際工藝中是不現實的,因此,i區實際上是一個輕摻雜的半導體區。通常,這個i區是輕摻雜的N區,原因主要有兩個:一是,通過使用中子嬗變的工藝,可制造出摻雜濃度低且非常均勻的N型摻雜;二是,對于同一給定電壓級別,P+N結制成的器件厚度比N+P結制成的器件厚度要薄,同時器件功耗是與它們的厚度平方約成正比增加的。前面已經提到了P-i-N結構的P+N結區了,下面介紹剩下的N區的必要性。

 

對于半導體與金屬電幾的接觸,由于N型半導體不像P型半導體可以低摻雜一樣容易與金屬形成良好的歐姆接觸,與其摻雜濃度低于1019cm-3時就會產生較高的接觸電阻,因此,i區不能直接與金屬電極相連,以免產生較大壓降及過多功耗。通過在輕摻雜的i區側添加一個重摻雜的N+層,便可以解決該問題。這也就形成了功率二極管P-i-N的基本結構。由于反偏狀態下,PN結結角處會有電力線集中,因此簡單的P-i-N二極管通常其耐壓值更遠小于相應的理想平行平面結的耐壓。為了改善其耐壓特性,通過引入結終端技術,回采用分壓場環、保護環、場板、或使用臺面結構、正斜角、負斜角終端來提高終端效率,實現最大程度的耐壓。

 

快恢復二極管正向的低阻,是通過PN結正偏時,向i區注入大量的等離子體,這些過剩的載流子濃度遠超過i區平衡時的載流子濃度,形成對i區的電導調制來實現的。然而,這些注入的大量過剩載流子,在PN結反偏,也就是二極管關斷時,卻會大大拖慢器件的關斷時間。由于i區通常要有一定的厚度來維持耐壓,因此,器件在正偏工作時里面儲存的少數載流子需要通過漂移、復合才能消失,但這是需要一定時間的,這也就形成了功率二極管的反向恢復過程。由于快恢復二極管通常與其他開關器件反并聯使用,反向恢復過程嚴重制約了器件的高額性能,極大影響到其他器件以及整個系統的工作頻率及性能,因此需要極力減小、消除。 

摻雜的i區側添加一個重摻雜的N+層,便可以解決該同題。這也就形成了快恢復二極管P-i-N的基本結構。

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