A
PiN 二極管
眾所周知,，pn 結(jié)幾乎事所有功率器件的基本組成部分,，那什么是 pin 呢？從表面我們可以直觀地看出,，p 和 n 之間被"i"插了一腳,，這個(gè)"第三者"實(shí)際上低摻雜的 n 層(n- 層),，它比外面層 p 和 n 層的摻雜低了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。相對(duì)于單極型相比,，pin 二極管的優(yōu)點(diǎn)在于：在基區(qū)大注入時(shí),，通態(tài)電阻會(huì)較大幅度地降低，我們稱(chēng)之為電導(dǎo)調(diào)制,，故 pin 二極管可以得到很高的阻斷電壓,。
大多數(shù)的功率二極管都是 pin 二極管，從應(yīng)用的角度我們可以將之分為兩種主要類(lèi)型：
?、僬鞫O管：用于 50Hz 或 60Hz 的電網(wǎng)頻率,，開(kāi)關(guān)損耗起次要作用，在中間層有高的載流子壽命,；
?、诳旎謴?fù)二極管：用于開(kāi)關(guān)器件的續(xù)流二極管(比如 IGBT 旁邊并聯(lián)的那個(gè))，或者是在高頻變壓器后用作輸出的整流器,。通常,，它們能夠達(dá)到 20kHz 的開(kāi)關(guān)頻率，并且能夠在 50~100kHz 或者更高的開(kāi)關(guān)電源中工作,。在 Si 基的快恢復(fù)二極管中,，中間低摻雜層(n- 層)中的載流子壽命必須減小到規(guī)定的低值。
pin 二極管的結(jié)構(gòu)：根據(jù)結(jié)構(gòu)和工藝,，pin 二極管可以分為兩種,，外延和擴(kuò)散。
前面我們?cè)诹陌雽?dǎo)體的制造工藝時(shí)有聊過(guò)外延和擴(kuò)散,，大家可以去回顧下,。對(duì)于外延二極管，首先 n- 層是用外延工藝沉積在高摻雜的 n+襯底上,，然后用擴(kuò)散工藝形成 p+層,。從上圖可以看出，外延二極管的基區(qū)寬度ωB 很小,，只有幾微米,，所以靠著足夠厚的襯底晶片，可以使生產(chǎn)的晶片破損少,，產(chǎn)量高,。外延二極管主要用于阻斷電壓 100V~600V 的場(chǎng)合，某些也會(huì)生產(chǎn) 1200V 的外延二極管。
因?yàn)橥庋庸に嚨某杀?，?duì)于更高阻斷電壓的二極管(一般指 1200V 以上)一般用擴(kuò)散工藝制造,。開(kāi)始是用低摻雜的晶片，用擴(kuò)散的方法得到 p+和 n+層,，測(cè)試晶片的厚度是由中間 n- 層的厚度ωB 和擴(kuò)散分布的深度來(lái)決定的,。對(duì)于電壓較低的，所需ωB 相應(yīng)的也就小,。用深的 p+層和 n+層,，晶片的厚度可以再次增加，但是深的 p+層不利于二極管的反向恢復(fù)特性,。所以,，較薄晶片的工藝加工是很講究的，IFX 生產(chǎn)中有用到 80um 的晶片厚度(不知道現(xiàn)在到什么程度了),。
B
正向?qū)?amp;反向恢復(fù)
?開(kāi)通特性
在功率二極管轉(zhuǎn)換到導(dǎo)通狀態(tài)時(shí),，在電壓下降至其正向電壓前，要先上升到開(kāi)通電壓的峰值電壓 VFRM,，這個(gè)電壓也叫正向恢復(fù)最大值,。如下圖：
從圖中可見(jiàn)，開(kāi)通時(shí)的這個(gè)電壓尖峰和電流變化率 di/dt 有關(guān),，在晶閘管為主的時(shí)期,，那時(shí)的電流變化率一般都不高，VFRM 也只有幾伏,。但是如今,，IGBT 等開(kāi)關(guān)器件工作時(shí)的電流變化率在一個(gè)很高的水平，此時(shí)的 VFRM 可能會(huì)達(dá)到小幾百伏,。再加上 IGBT 關(guān)斷時(shí)的 di/dt 在寄生電感上產(chǎn)生一個(gè)電壓,，疊加到 VFRM 上將產(chǎn)生一個(gè)很高的電壓尖峰。所以 VFRM 是不可忽略的一個(gè)重要參數(shù),，特別是在電壓較高的應(yīng)用場(chǎng)合下,。
至于開(kāi)通損耗，此時(shí)二極管的開(kāi)通特性顯得就沒(méi)那么重要了,，因?yàn)殚_(kāi)通過(guò)程很快,，開(kāi)通損耗只占二極管關(guān)斷損耗或者導(dǎo)通損耗的百分之幾而已，熱計(jì)算時(shí)可以忽略,。
?反向恢復(fù)
隨著二極管從導(dǎo)通到阻斷狀態(tài)的轉(zhuǎn)換,，存儲(chǔ)在二極管中的電荷必須被移出，引起二極管的反向恢復(fù)電流,。
上圖是典型的二極管反向恢復(fù)的電壓電流波形,，可以結(jié)合前面講到的 Diode 的反向恢復(fù)來(lái)看。
二極管的反向恢復(fù)電流波形可以分為兩個(gè)階段：
①波形達(dá)到 IRRM 后反向電流以 dir/dt 下降,。在軟恢復(fù)二極管中,，|dir/dt|是在|di/dt|范圍之內(nèi)的，同時(shí)反向恢復(fù)電流峰值 IRRM 是造成開(kāi)關(guān)器件最重的負(fù)擔(dān),。
②尾部電流階段：此期間反向電流緩慢減小至終止,。二極管的主要損耗產(chǎn)生在此階段,，因?yàn)榇藭r(shí)有一個(gè)很高的電壓加在二極管的兩端。較硬的二極管,，雖然尾部階段得到減小,，但是其較大的電流變化產(chǎn)生的電壓峰值和振蕩是很危險(xiǎn)的，所以慢和軟的二極管是更為合適的,，二極管的尾部電流減輕了開(kāi)關(guān)器件的負(fù)擔(dān),。
關(guān)于損耗：
保持低的反向恢復(fù)峰值電流 IRRM 和使二極管儲(chǔ)存電荷的主要部分在拖尾階段抽出是有利于減小二極管損耗的。理想化電流電壓波形,，我們能夠知道,，二極管的關(guān)斷損耗是直接正比于反向恢復(fù)電荷 QRR 的。較準(zhǔn)確的損耗可以使用電流電壓積分來(lái)得到,。
所有的快速 Si 二極管都會(huì)用到復(fù)合中心,，復(fù)合中心主要使載流子壽命降低從而使儲(chǔ)存電荷 QRR 降低，但是其會(huì)使得導(dǎo)通壓降增加,，兩者需要折衷,。對(duì)于二極管的所有特性起主導(dǎo)作用的參數(shù)是上面我們提到的低摻雜基區(qū)的寬度ωB。只要寬度ωB 足夠大,，二極管的反向恢復(fù)特性就會(huì)變軟,，但是這會(huì)導(dǎo)致很高的正向?qū)ê?/ 或開(kāi)關(guān)損耗，這又是兩個(gè)矛盾的因素,。但是現(xiàn)在的關(guān)于軟恢復(fù)特性的設(shè)計(jì)理念是在不用大大增加基區(qū)寬度來(lái)實(shí)現(xiàn),，所有產(chǎn)生了很多種技術(shù)特點(diǎn)的二極管，如 MPS 二極管(pin+肖特基),、發(fā)射極控制的(EMCON)二極管,、軸向載流子壽命可控的(CAL)二極管、MOS 控制二極管(特定工作模式下也被稱(chēng)作同步整流器)以及混合式二極管等等(這里就不逐一展開(kāi)了),。
C
SiC 功率 pin 二極管
上面我們介紹了傳統(tǒng) Si 基 pin 二極管,，第三代 WBG 作為新時(shí)代的寵兒，我們下面來(lái)看看 SiC 功率二極管相比 Si 有那些變化,。
SiC pin 二極管具有高于 Si 的 2~3 個(gè)數(shù)量級(jí)的開(kāi)關(guān)速度,、高結(jié)溫承受能力、高電流密度以及更高的功率密度。
?、贀舸╇妶?chǎng)提高了近一個(gè)數(shù)量級(jí)：設(shè)計(jì)時(shí)可以采用更薄和摻雜濃度更高的阻擋層,；
②三倍高的寬禁帶：使得其擁有更高的工作溫度和更高的抗輻射能力,；但是這也使得其內(nèi)建電勢(shì)比 Si 高三倍,；
③高于 Si 三倍的熱導(dǎo)率(4.9K/W)：使得其散熱性能更高,，能夠達(dá)到更高的功率,。
SiC pin 二極管與同等級(jí)的 Si 基二極管相比，擁有很小的反向恢復(fù)電荷 QRR,，主要原因有這么幾點(diǎn)：
?、艤p薄了幾十倍的電壓阻擋層和高于幾十倍的摻雜濃度，這使得本征層中的少子電荷得到顯著的減??；
⑵這些更薄的電壓阻擋層所需的載流子壽命比 Si 的載流子壽命小 10 倍多,；并且使得在溫度變化時(shí),，SiC pin 二極管具有非常溫度的正向?qū)▔航怠?/p>
就目前而言，SiC 仍處在初期,，看似 Si 器件到了其極限,，但是由于種種限制(成本、SiC 材料的質(zhì)量和制造工藝等等),，接下來(lái)的幾年乃至幾十年還是以 Si 為主導(dǎo),，同時(shí) SiC 和 Si 相輔相成會(huì)持續(xù)很長(zhǎng)一段時(shí)間。