中心議題:

• 討論高頻電鍍用快恢復(fù)整流二極管的開發(fā)研制

解決方案:

• 采用PiN 結(jié)構(gòu)制成的快恢復(fù)整流二極管實(shí)現(xiàn)高頻整流
• P+-i-N+結(jié)構(gòu)為電源裝置的設(shè)計(jì)制造提供了選擇途徑

引言

“對(duì)于直流電源，為了提高其工作性能，或是為了使直流電源達(dá)到小型輕量化的目的，常會(huì)遇到大電流高頻整流問題。特別是對(duì)于低電壓（臆24 V）的直流電源，這個(gè)問題就顯得更加突出。”“其典型例子有：高頻直流電鍍電源等。”

高頻直流電鍍電源由于其輸出波形的可控性，不僅使電鍍速度大大加快，而且使電鍍層的質(zhì)量大大提高，同時(shí)又使電源設(shè)備的體積大大減少，節(jié)電效果顯著。

1 課題的提出

以前高頻電鍍電源所用的快恢復(fù)整流二極管都是肖特基二極管結(jié)構(gòu)。這種快恢復(fù)整流二極管充分利用肖特基二極管多數(shù)載流子導(dǎo)電，因而正、反向恢復(fù)時(shí)間都短的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高頻高效整流。

功率二極管的正向恢復(fù)時(shí)間理解為：一個(gè)尚未導(dǎo)通的功率二極管在正向電流突然強(qiáng)行經(jīng)過(guò)它時(shí)（叫做強(qiáng)制開通），改變到完全開通狀態(tài)時(shí)所需的時(shí)間。在功率二極管完全恢復(fù)到開通狀態(tài)前，正向恢復(fù)期間的正向壓降要比完全開通狀態(tài)時(shí)的壓降高得多，這可能會(huì)產(chǎn)生電路電壓尖峰。

功率二極管的反向恢復(fù)時(shí)間理解為：一個(gè)正向?qū)ǖ墓β识O管在通過(guò)它的電壓突然反向時(shí)（叫做強(qiáng)迫關(guān)斷），恢復(fù)到阻斷狀態(tài)時(shí)所需的時(shí)間。

功率二極管在反向恢復(fù)期間將產(chǎn)生大的反向電流和大的功率損耗，這是研制與應(yīng)用功率二極管所不希望有的。

具有長(zhǎng)反向恢復(fù)時(shí)間的功率二極管類似于具有大寄生電容的功率二極管，具有長(zhǎng)正向恢復(fù)時(shí)間的功率二極管類似于具有大寄生電感的功率二極管。

本課題采用通常的PiN 結(jié)構(gòu)制成的快恢復(fù)整流二極管實(shí)現(xiàn)高頻整流及電鍍應(yīng)用。在保證正向、反向恢復(fù)時(shí)間都達(dá)到基本要求的前提下，使快恢復(fù)整流二極管既在反向恢復(fù)時(shí)間內(nèi)不產(chǎn)生大的反向電流和大的功率損耗，又在正向恢復(fù)時(shí)間內(nèi)不產(chǎn)生過(guò)大的電路電壓尖峰（換言之，就是將寄生電容、電感做到最小）。進(jìn)而發(fā)揮大電流特性，特別是浪涌電流高的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電流高頻整流及應(yīng)用。

2 肖特基二極管結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)

金屬和輕摻雜半導(dǎo)體之間的接觸是整流接觸，又稱為肖特基（Schottky）勢(shì)壘接觸。利用這樣的整流接觸做成的器件，稱之為肖特基二極管。

肖特基二極管中電荷的運(yùn)輸是靠多數(shù)載流子來(lái)完成的。因此，與少子注入、過(guò)剩載流子的抽取與復(fù)合等相關(guān)聯(lián)的現(xiàn)象，并不出現(xiàn)在開通和關(guān)斷過(guò)程中。所以在高頻狀態(tài)下使用肖特基二極管具有優(yōu)勢(shì)。

2.1 肖特基二極管的優(yōu)點(diǎn)

1）反向恢復(fù)時(shí)間和正向恢復(fù)時(shí)間都短；

2）在低電流密度（JF<10 A/cm2）下，有比P+ -n-N+結(jié)構(gòu)的整流二極管更低的通態(tài)電壓。

2.2 肖特基二極管的缺點(diǎn)
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1）在有限面積的接觸處，擊穿電壓通常會(huì)小于100 V；
3 基本技術(shù)方案

本課題采用的技術(shù)方案是在電焊機(jī)專用大電流密度整流二極管的科研成果[4]的基礎(chǔ)上，如單晶的選取、擴(kuò)散方法和技術(shù)要求、多層金屬化的歐姆接觸、臺(tái)面噴砂造型和聚酰亞胺鈍化保護(hù)、管殼設(shè)計(jì)等大都是直接借用過(guò)來(lái)的，并且是經(jīng)過(guò)改進(jìn)的方案研制的，所以使整個(gè)研制工作走了捷徑。
 
命子p 有一個(gè)近似理想的分布；再用12 Mev 電子輻照，降低基區(qū)少子壽命到在硅片的兩面蒸鍍鈦-鎳-金、經(jīng)臺(tái)面噴砂造型，之后經(jīng)去砂清洗腐蝕聚酰亞胺鈍化保護(hù)、中間測(cè)試、裝入陶瓷環(huán)充氮?dú)饫鋲汉阜庋b成型，再經(jīng)全面測(cè)試電熱參數(shù)、動(dòng)態(tài)參數(shù)合格，最后制成高頻電鍍直流電源專用功率整流快恢復(fù)二極管。

4 P+-i-N+功率二極管頻率特性的改進(jìn)

大電流密度下的P+-i-N+功率二極管的通態(tài)特性大大優(yōu)于肖特基二極管是不言而喻的。問題是如何提高其頻率特性，使其接近肖特基二極管的水平。提高開通和關(guān)斷過(guò)程的速度，也就是千方百計(jì)縮短由斷到開，特別是由開到關(guān)的時(shí)間，即縮短正向恢復(fù)時(shí)間tfr和反向恢復(fù)時(shí)間trr。
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4.1 縮短正向恢復(fù)時(shí)間t（fr 改進(jìn)開通特性）

由整流二極管的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)知，正向恢復(fù)時(shí)間tfr 規(guī)定為：在緊接零電壓或其他規(guī)定的反向電壓條件施加規(guī)定的階躍正向電流時(shí)，正向電壓上升到第一個(gè)規(guī)定值瞬間和從其峰值VFRM 下降到接近正向電壓最終穩(wěn)定值的第二個(gè)規(guī)定值瞬間的時(shí)間間隔。如圖2 所示。
2）開通時(shí)的最高峰值電壓主要由器件雜散（也稱寄生）電感在電流上升率發(fā)生時(shí)的附加電壓L·di/dt以及結(jié)電壓（包括高低結(jié)的電壓）構(gòu)成。顯然控制過(guò)大的雜散電感的產(chǎn)生是關(guān)鍵。這里采用有考究的平板式結(jié)構(gòu)，管殼設(shè)計(jì)為無(wú)傘（傘也叫裙邊）薄殼，這都是降低裝配雜散電感，確保VFRM 值不高的必要措施。

一般來(lái)講，開通對(duì)高頻應(yīng)用的影響遠(yuǎn)不如關(guān)斷時(shí)反向恢復(fù)時(shí)間以及反向恢復(fù)電荷的影響大。

為此，提高整流二極管的高頻應(yīng)用能力，要將重點(diǎn)放在對(duì)關(guān)斷特性的改進(jìn)中。

4.2 降低反向恢復(fù)時(shí)間t（rr 改進(jìn)關(guān)斷特性）

由整流二極管的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)知，反向恢復(fù)時(shí)間trr規(guī)定為：當(dāng)從正向到反向轉(zhuǎn)換時(shí)，從電流過(guò)零瞬間起，至反向電流由峰值IFM減少到規(guī)定低值瞬間（如圖3 所示）的時(shí)間間隔。

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在研制過(guò)程中采取的措施是：

1）通過(guò)采取磷硅玻璃、硼硅玻璃吸收和慢降溫，先把少子壽命提高到目的是提高電子的少子壽命到，確保高頻應(yīng)用時(shí)壓降不會(huì)過(guò)大，且正向開通時(shí)間tfr短。

2）先低溫?cái)U(kuò)鉑再利用陰極面高濃度磷硅玻璃吸收，使少子壽命控制在并在基區(qū)有一個(gè)理想的分布，后采用電子輻照達(dá)到最終的關(guān)斷要求的降低少子壽命的控制技術(shù)，既保證了器件長(zhǎng)期應(yīng)用的可靠性，又保證了反向恢復(fù)時(shí)間的要求，且又可以使器件軟關(guān)斷，即軟因子FRRS 增大，反向恢復(fù)電荷Qr減小。

軟恢復(fù)的實(shí)質(zhì)：在反向恢復(fù)時(shí)間不變的前提下，軟因子FRRS增大，即反向恢復(fù)電流下降時(shí)間trRF增長(zhǎng)，實(shí)質(zhì)就是反向恢復(fù)電荷Qr 減小了（也就是最大反向恢復(fù)電流減小），這樣就實(shí)現(xiàn)了關(guān)斷時(shí)不產(chǎn)生過(guò)大的反向電流和過(guò)大的能量損耗的目的。

3）采用截面電阻率均勻的硅單晶，使空間電荷區(qū)寬度均勻，結(jié)電容小也是關(guān)斷時(shí)不產(chǎn)生過(guò)大的反向電流和過(guò)大的能量損耗的措施之一。

4）有意將陽(yáng)極區(qū)的表面濃度做得比陰極區(qū)的還要低，也是提高軟因子，降低反向恢復(fù)電荷的措施之一。

5 器件參數(shù)的測(cè)試

測(cè)試研制生產(chǎn)的器件，以規(guī)格是直徑48 mm/3 000 A/200 V的器件為例，記錄實(shí)測(cè)結(jié)果如表1所列。


測(cè)試結(jié)果和客戶現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，所研制生產(chǎn)的產(chǎn)品符合高頻電鍍直流電源用快恢復(fù)功率二極管的要求。

6 結(jié)語(yǔ)

該P(yáng)+-i-N+結(jié)構(gòu)高電流密度高頻整流二極管的成功開發(fā)，無(wú)疑為電源裝置的設(shè)計(jì)制造提供了良好的選擇途徑，可應(yīng)用在輸出直流電壓逸12 V的大電流高頻整流裝置中，其特點(diǎn)是提高高頻整流性能、減小電源裝置體積和大幅度提高輸出電流。

若采用外延片及陽(yáng)極超薄發(fā)射區(qū)結(jié)構(gòu)，將使應(yīng)用頻率更高，更有利于提高電鍍電源性能，并進(jìn)一步減小裝置體積和降低能耗。

隨著國(guó)家對(duì)電力器件的日益重視，大力開展高性能二極管的研究開發(fā)將是我國(guó)功率半導(dǎo)體工作者的重要任務(wù)。