隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，各種變頻電路、斬波電路的應(yīng)用不斷擴(kuò)大，這些電力電子電路中的主回路不論是采用換流關(guān)斷的晶閘管，還是采用有自關(guān)斷能力的新型電力電子器件，如GTO，MCT，IGBT等，都需要一個(gè)與之并聯(lián)的快速二極管，以通過負(fù)載中的無(wú)功電流，減小電容的充電時(shí)間，同時(shí)抑制因負(fù)載電流瞬時(shí)反向而感應(yīng)的高電壓。由于這些電力電子器件的頻率和性能不斷提高，為了與其關(guān)斷過程相匹配，該二極管必須具有快速開通和高速關(guān)斷能力，即具有短的反向恢復(fù)時(shí)間trr，較小的反向恢復(fù)電流IRRM和軟恢復(fù)特性。
在高壓、大電流的電路中，傳統(tǒng)的PIN二極管具有較好的反向耐壓性能，且正向時(shí)它可以在很低的電壓下就會(huì)導(dǎo)通較大的電流，呈現(xiàn)低阻狀態(tài)。然而，正向大注入的少數(shù)載流子的存在使得少子壽命較長(zhǎng)，二極管的開關(guān)速度相應(yīng)較低，為提高其開關(guān)速度，可采用摻雜重金屬雜質(zhì)和通過電子輻照的辦法減小少子壽命，但這又會(huì)不同程度的造成二極管的硬恢復(fù)特性，在電路中引起較高的感應(yīng)電壓，對(duì)整個(gè)電路的正常工作產(chǎn)生重要影響。
目前現(xiàn)狀
目前，國(guó)內(nèi)快速二極管一般采用電子輻照控制少子壽命,其軟度因子在0.35左右，特性很硬。國(guó)際上快速二級(jí)管的水平已達(dá)到2500A/3000V，300ns，軟度因子較小。采用外延工藝制作的快恢復(fù)二極管的軟度因子較大（0.7），但它必須采用小方片串并聯(lián)的方式使用，以達(dá)到大電流、高電壓的目的。這樣做不僅增加了工藝的復(fù)雜性，而且使產(chǎn)品的可靠性變差。我國(guó)的外延工藝水平較低，尚停留在研究階段，成品率較低，相對(duì)成本較高；而采用電力半導(dǎo)體常規(guī)工藝制作的快恢復(fù)二極管的軟度因子較小。
工作原理及影響因素
恢復(fù)過程很短的二極管，特別是反向恢復(fù)過程很短的二極管稱為快速恢復(fù)二極管（Fast Recovery Diode）。高頻化的電力電子電路不僅要求快速恢復(fù)二極管的正向恢復(fù)特性較好，即正向瞬態(tài)壓降小，恢復(fù)時(shí)間短；更要求反向恢復(fù)特性也較好，即反向恢復(fù)時(shí)間短，反向恢復(fù)電荷少，并具有軟恢復(fù)特性。
開通特性
二極管的開通也有一個(gè)過程，開通初期出現(xiàn)較高的瞬態(tài)壓降，經(jīng)過一定時(shí)間后才能處于穩(wěn)定狀態(tài)，并具有很小的管壓降。這就是說(shuō)，二極管開通初期呈現(xiàn)出明顯的“電感效應(yīng)”，不能立即響應(yīng)正向電流的變化。在正向恢復(fù)時(shí)間內(nèi)，正在開通的二極管具有比穩(wěn)態(tài)大的多的峰值電壓UFP。當(dāng)正向電流上升率超過50A/s時(shí)，在某些高壓二極管中具有較高的瞬態(tài)壓降。這一概念在緩沖電路中的快速應(yīng)用時(shí)顯得非常重要。
開通時(shí)二極管呈現(xiàn)的電感效應(yīng)，除了器件內(nèi)部機(jī)理的原因之外，還與引線長(zhǎng)度、器件封裝采用的磁性材料等因素有關(guān)。電感效應(yīng)對(duì)電流的變化率最敏感，因此開通時(shí)二極管電流的上升率diF/dt越大，峰值電壓UFP就越高，正向恢復(fù)時(shí)間也越長(zhǎng)。
關(guān)斷特性
所有的PN結(jié)二極管，在傳導(dǎo)正向電流時(shí)，都將以少子的形式儲(chǔ)存電荷。少子注入是電導(dǎo)調(diào)制的機(jī)理，它導(dǎo)致正向壓降（VF）的降低，從這個(gè)意義上講，它是有利的。但是當(dāng)正在導(dǎo)通的二極管突然加一個(gè)反向電壓時(shí)，由于導(dǎo)通時(shí)在PN結(jié)區(qū)有大量少數(shù)載流子存貯起來(lái)，故到截止時(shí)要把這些少數(shù)載流子完全抽出或是中和掉是需要一定時(shí)間的，即反向阻斷能力的恢復(fù)需要經(jīng)過一段時(shí)間，這個(gè)過程就是反向恢復(fù)過程，發(fā)生這一過程所用的時(shí)間定義為反向恢復(fù)時(shí)間（trr）。值得注意的是在未恢復(fù)阻斷能力之前，二極管相當(dāng)于處于短路狀態(tài)。
用軟化系數(shù)S（Softness factor）來(lái)描述反向恢復(fù)電流由最大值IRM消失的速率。反向恢復(fù)電流的下降速度dirr/dt是一個(gè)重要的參數(shù)。若dirr/dt過大，由于線路存在電感L，則會(huì)使反向峰值電壓URM過高，有時(shí)出現(xiàn)強(qiáng)烈振蕩，致使二極管損壞，可以用軟特性和硬特性的概念來(lái)表示dirr/dt對(duì)反向特性的影響。軟化系數(shù)S還可以表示為通過上式可以預(yù)測(cè)反向峰值電壓的幅值。其中，L為電路總電感URM即為二極管反向恢復(fù)時(shí)施加于有源器件的峰值電壓，其值一定要小于有源器件的電壓額定值，因此用di(rec)/dt表示軟度因子更有實(shí)用意義。耗盡儲(chǔ)存電荷所需的總的時(shí)間定義為反向恢復(fù)時(shí)間trr，作為開關(guān)速度的量度，它是選用二極管時(shí)的一個(gè)非常重要的參數(shù)，一般用途的二極管trr為25s左右，使用在整流以及頻率低于1kHz以下的電路中是可以的，但若用于斬波和逆變電路中，必須選用trr在5s以下的快速恢復(fù)二極管，在一些吸收電路中要求快開通和軟恢復(fù)二極管。
由軟度因子定義可知，它其實(shí)就是反映二極管在反向恢復(fù)的tb過程中基區(qū)少子因復(fù)合而消失的時(shí)間長(zhǎng)短。所以，軟度因子與少子壽命控制方法、基區(qū)寬度和擴(kuò)散濃度分布、元件結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)參數(shù)等有密切的關(guān)系。在空間電荷區(qū)擴(kuò)展后的剩余基區(qū)內(nèi)駐留更多的殘存電荷，并駐留更長(zhǎng)的時(shí)間將提高軟度因子。
改善性能的方法
雖然PIN管具有良好的反向耐壓能力，但是由于其反向恢復(fù)特性較差，在反向恢復(fù)期間產(chǎn)生較大的反向峰值電壓，從而影響整個(gè)電路的正常工作；其次一個(gè)實(shí)際的PIN整流器，開通瞬間正向壓降幅值要比穩(wěn)態(tài)壓降高一個(gè)數(shù)量級(jí)，該電壓峰值可以超過30V，這主要是由少子有限的擴(kuò)散速度造成的，它與N基區(qū)材料電阻率及基區(qū)寬度有關(guān)。為了改善二極管的工作特性，在器件的設(shè)計(jì)與制作工藝上均采用了相關(guān)的技術(shù)。
譬如，少子壽命控制技術(shù)。由于少子壽命的變化及少子壽命的控制方法影響著快恢復(fù)器件的頻率特性和反向恢復(fù)軟度，因此少子壽命的控制技術(shù)就處于十分重要的地位。少子壽命控制技術(shù)按其特點(diǎn)可分為三種類型：常規(guī)型、重金屬摻雜型和電子輻射型。
常規(guī)型：常規(guī)型就是通過調(diào)整開關(guān)管的結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)達(dá)到控制少子壽命的目的，包括幾種方法：減小材料電阻率,雜質(zhì)分布的控制,減薄基區(qū)厚度。
重金屬摻雜型：在二極管的制造過程中，有意識(shí)的選擇某種合適的深能級(jí)重金屬雜質(zhì)擴(kuò)散在半導(dǎo)體中，可以用來(lái)降低少子壽命，提高反向恢復(fù)軟度。常用的重金屬雜質(zhì)有金、鉑、鈀等。
電子輻射型：它的特點(diǎn)是通過對(duì)電子注入劑量的調(diào)節(jié)能夠精確控制少子壽命，從而可以很好的協(xié)調(diào)器件諸電參數(shù)對(duì)少子壽命的不同要求，而且它可以在器件制造完成后進(jìn)行，使制作過程簡(jiǎn)單化、靈活化。
采用新結(jié)構(gòu)
采用新的結(jié)構(gòu)從而改善二極管的性能，例如采用理想歐姆接觸。傳統(tǒng)的PIN整流器在n-n+界面采用歐姆接觸只是對(duì)多子而言。由于n-n+高低結(jié)產(chǎn)生的內(nèi)建電場(chǎng)的影響，對(duì)少子n-n+并不形成歐姆接觸結(jié)構(gòu)。理想歐姆接觸就是一種可以使少子和多子均能順利通過的界面，它是由p+區(qū)和n+區(qū)相互嵌位構(gòu)成的。在這種結(jié)構(gòu)中，空穴經(jīng)過p+通過界面，電子經(jīng)過n+通過界面。這種結(jié)構(gòu)可以采用傳統(tǒng)的選擇擴(kuò)散方法得到，也可以采用肖特基接觸代替整個(gè)p+區(qū)，可以省去一次選擇擴(kuò)散過程。
最近，在制作二極管的工藝過程中，將高電導(dǎo)率的非晶態(tài)硅、鍺、硼合金利用CVD法沉積在p型硅片上，作為理想接觸層，使二極管在正偏時(shí)具有低耗整流特性，偏時(shí)具有快速開關(guān)特性。具有理想歐姆接觸的二極管反向恢復(fù)時(shí)間可達(dá)60ns，更低的漏電流，使二極管可以在高溫下工作。
制作快速二極管的傳統(tǒng)方法是采用摻金、鉑或電子輻照來(lái)降低少子壽命而獲得，然而由于反向恢復(fù)時(shí)間、反向峰值電流及衰減速度、正向壓降等參數(shù)的相互制約限制了這種器件用于許多電力電子應(yīng)用領(lǐng)域。故制作出一種反向恢復(fù)時(shí)間短、恢復(fù)時(shí)反向峰值電流小、且為軟恢復(fù)特性的高速二極管就顯得尤為重要。為此開發(fā)了不同結(jié)構(gòu)的這種二極管，例如有；凹型階梯“陰極短路”結(jié)構(gòu)帶輔助二極管的結(jié)構(gòu)；陰極短路結(jié)構(gòu)；自調(diào)節(jié)發(fā)射效率與理想歐姆接觸二極管（SIOD）等。
為了滿足芯片與底座間的電學(xué)和散熱的要求，要在二極管的兩端實(shí)現(xiàn)歐姆接觸。由于快速軟恢復(fù)二極管的陽(yáng)極和陰極都具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和較淺的擴(kuò)散深度，大功率器件的傳統(tǒng)歐姆接觸工藝——燒結(jié)工藝將會(huì)破壞這種結(jié)構(gòu)及期望的性能。解決這一問題的方法是采用多層金屬的歐姆接觸工藝。二極管陽(yáng)極與陰極采用多層金屬工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)歐姆接觸是本課題的難點(diǎn)之一，也是重點(diǎn)之一。在現(xiàn)有的理論及實(shí)踐的基礎(chǔ)上，不斷完善其工藝流程，從而提高二極管的性能和成品率。
在高壓、大電流的電路中，傳統(tǒng)的PIN二極管具有較好的反向耐壓性能，且正向時(shí)它可以在很低的電壓下就會(huì)導(dǎo)通較大的電流，呈現(xiàn)低阻狀態(tài)。然而，正向大注入的少數(shù)載流子的存在使得少子壽命較長(zhǎng)，二極管的開關(guān)速度相應(yīng)較低，為提高其開關(guān)速度，可采用摻雜重金屬雜質(zhì)和通過電子輻照的辦法減小少子壽命，但這又會(huì)不同程度的造成二極管的硬恢復(fù)特性，在電路中引起較高的感應(yīng)電壓，對(duì)整個(gè)電路的正常工作產(chǎn)生重要影響。
目前現(xiàn)狀
目前，國(guó)內(nèi)快速二極管一般采用電子輻照控制少子壽命,其軟度因子在0.35左右，特性很硬。國(guó)際上快速二級(jí)管的水平已達(dá)到2500A/3000V，300ns，軟度因子較小。采用外延工藝制作的快恢復(fù)二極管的軟度因子較大（0.7），但它必須采用小方片串并聯(lián)的方式使用，以達(dá)到大電流、高電壓的目的。這樣做不僅增加了工藝的復(fù)雜性，而且使產(chǎn)品的可靠性變差。我國(guó)的外延工藝水平較低，尚停留在研究階段，成品率較低，相對(duì)成本較高；而采用電力半導(dǎo)體常規(guī)工藝制作的快恢復(fù)二極管的軟度因子較小。
工作原理及影響因素
恢復(fù)過程很短的二極管，特別是反向恢復(fù)過程很短的二極管稱為快速恢復(fù)二極管（Fast Recovery Diode）。高頻化的電力電子電路不僅要求快速恢復(fù)二極管的正向恢復(fù)特性較好，即正向瞬態(tài)壓降小，恢復(fù)時(shí)間短；更要求反向恢復(fù)特性也較好，即反向恢復(fù)時(shí)間短，反向恢復(fù)電荷少，并具有軟恢復(fù)特性。
開通特性
二極管的開通也有一個(gè)過程，開通初期出現(xiàn)較高的瞬態(tài)壓降，經(jīng)過一定時(shí)間后才能處于穩(wěn)定狀態(tài)，并具有很小的管壓降。這就是說(shuō)，二極管開通初期呈現(xiàn)出明顯的“電感效應(yīng)”，不能立即響應(yīng)正向電流的變化。在正向恢復(fù)時(shí)間內(nèi)，正在開通的二極管具有比穩(wěn)態(tài)大的多的峰值電壓UFP。當(dāng)正向電流上升率超過50A/s時(shí)，在某些高壓二極管中具有較高的瞬態(tài)壓降。這一概念在緩沖電路中的快速應(yīng)用時(shí)顯得非常重要。
開通時(shí)二極管呈現(xiàn)的電感效應(yīng)，除了器件內(nèi)部機(jī)理的原因之外，還與引線長(zhǎng)度、器件封裝采用的磁性材料等因素有關(guān)。電感效應(yīng)對(duì)電流的變化率最敏感，因此開通時(shí)二極管電流的上升率diF/dt越大，峰值電壓UFP就越高，正向恢復(fù)時(shí)間也越長(zhǎng)。
關(guān)斷特性
所有的PN結(jié)二極管，在傳導(dǎo)正向電流時(shí)，都將以少子的形式儲(chǔ)存電荷。少子注入是電導(dǎo)調(diào)制的機(jī)理，它導(dǎo)致正向壓降（VF）的降低，從這個(gè)意義上講，它是有利的。但是當(dāng)正在導(dǎo)通的二極管突然加一個(gè)反向電壓時(shí)，由于導(dǎo)通時(shí)在PN結(jié)區(qū)有大量少數(shù)載流子存貯起來(lái)，故到截止時(shí)要把這些少數(shù)載流子完全抽出或是中和掉是需要一定時(shí)間的，即反向阻斷能力的恢復(fù)需要經(jīng)過一段時(shí)間，這個(gè)過程就是反向恢復(fù)過程，發(fā)生這一過程所用的時(shí)間定義為反向恢復(fù)時(shí)間（trr）。值得注意的是在未恢復(fù)阻斷能力之前，二極管相當(dāng)于處于短路狀態(tài)。
用軟化系數(shù)S（Softness factor）來(lái)描述反向恢復(fù)電流由最大值IRM消失的速率。反向恢復(fù)電流的下降速度dirr/dt是一個(gè)重要的參數(shù)。若dirr/dt過大，由于線路存在電感L，則會(huì)使反向峰值電壓URM過高，有時(shí)出現(xiàn)強(qiáng)烈振蕩，致使二極管損壞，可以用軟特性和硬特性的概念來(lái)表示dirr/dt對(duì)反向特性的影響。軟化系數(shù)S還可以表示為通過上式可以預(yù)測(cè)反向峰值電壓的幅值。其中，L為電路總電感URM即為二極管反向恢復(fù)時(shí)施加于有源器件的峰值電壓，其值一定要小于有源器件的電壓額定值，因此用di(rec)/dt表示軟度因子更有實(shí)用意義。耗盡儲(chǔ)存電荷所需的總的時(shí)間定義為反向恢復(fù)時(shí)間trr，作為開關(guān)速度的量度，它是選用二極管時(shí)的一個(gè)非常重要的參數(shù)，一般用途的二極管trr為25s左右，使用在整流以及頻率低于1kHz以下的電路中是可以的，但若用于斬波和逆變電路中，必須選用trr在5s以下的快速恢復(fù)二極管，在一些吸收電路中要求快開通和軟恢復(fù)二極管。
由軟度因子定義可知，它其實(shí)就是反映二極管在反向恢復(fù)的tb過程中基區(qū)少子因復(fù)合而消失的時(shí)間長(zhǎng)短。所以，軟度因子與少子壽命控制方法、基區(qū)寬度和擴(kuò)散濃度分布、元件結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)參數(shù)等有密切的關(guān)系。在空間電荷區(qū)擴(kuò)展后的剩余基區(qū)內(nèi)駐留更多的殘存電荷，并駐留更長(zhǎng)的時(shí)間將提高軟度因子。
改善性能的方法
雖然PIN管具有良好的反向耐壓能力，但是由于其反向恢復(fù)特性較差，在反向恢復(fù)期間產(chǎn)生較大的反向峰值電壓，從而影響整個(gè)電路的正常工作；其次一個(gè)實(shí)際的PIN整流器，開通瞬間正向壓降幅值要比穩(wěn)態(tài)壓降高一個(gè)數(shù)量級(jí)，該電壓峰值可以超過30V，這主要是由少子有限的擴(kuò)散速度造成的，它與N基區(qū)材料電阻率及基區(qū)寬度有關(guān)。為了改善二極管的工作特性，在器件的設(shè)計(jì)與制作工藝上均采用了相關(guān)的技術(shù)。
譬如，少子壽命控制技術(shù)。由于少子壽命的變化及少子壽命的控制方法影響著快恢復(fù)器件的頻率特性和反向恢復(fù)軟度，因此少子壽命的控制技術(shù)就處于十分重要的地位。少子壽命控制技術(shù)按其特點(diǎn)可分為三種類型：常規(guī)型、重金屬摻雜型和電子輻射型。
常規(guī)型：常規(guī)型就是通過調(diào)整開關(guān)管的結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)達(dá)到控制少子壽命的目的，包括幾種方法：減小材料電阻率,雜質(zhì)分布的控制,減薄基區(qū)厚度。
重金屬摻雜型：在二極管的制造過程中，有意識(shí)的選擇某種合適的深能級(jí)重金屬雜質(zhì)擴(kuò)散在半導(dǎo)體中，可以用來(lái)降低少子壽命，提高反向恢復(fù)軟度。常用的重金屬雜質(zhì)有金、鉑、鈀等。
電子輻射型：它的特點(diǎn)是通過對(duì)電子注入劑量的調(diào)節(jié)能夠精確控制少子壽命，從而可以很好的協(xié)調(diào)器件諸電參數(shù)對(duì)少子壽命的不同要求，而且它可以在器件制造完成后進(jìn)行，使制作過程簡(jiǎn)單化、靈活化。
采用新結(jié)構(gòu)
采用新的結(jié)構(gòu)從而改善二極管的性能，例如采用理想歐姆接觸。傳統(tǒng)的PIN整流器在n-n+界面采用歐姆接觸只是對(duì)多子而言。由于n-n+高低結(jié)產(chǎn)生的內(nèi)建電場(chǎng)的影響，對(duì)少子n-n+并不形成歐姆接觸結(jié)構(gòu)。理想歐姆接觸就是一種可以使少子和多子均能順利通過的界面，它是由p+區(qū)和n+區(qū)相互嵌位構(gòu)成的。在這種結(jié)構(gòu)中，空穴經(jīng)過p+通過界面，電子經(jīng)過n+通過界面。這種結(jié)構(gòu)可以采用傳統(tǒng)的選擇擴(kuò)散方法得到，也可以采用肖特基接觸代替整個(gè)p+區(qū)，可以省去一次選擇擴(kuò)散過程。
最近，在制作二極管的工藝過程中，將高電導(dǎo)率的非晶態(tài)硅、鍺、硼合金利用CVD法沉積在p型硅片上，作為理想接觸層，使二極管在正偏時(shí)具有低耗整流特性，偏時(shí)具有快速開關(guān)特性。具有理想歐姆接觸的二極管反向恢復(fù)時(shí)間可達(dá)60ns，更低的漏電流，使二極管可以在高溫下工作。
制作快速二極管的傳統(tǒng)方法是采用摻金、鉑或電子輻照來(lái)降低少子壽命而獲得，然而由于反向恢復(fù)時(shí)間、反向峰值電流及衰減速度、正向壓降等參數(shù)的相互制約限制了這種器件用于許多電力電子應(yīng)用領(lǐng)域。故制作出一種反向恢復(fù)時(shí)間短、恢復(fù)時(shí)反向峰值電流小、且為軟恢復(fù)特性的高速二極管就顯得尤為重要。為此開發(fā)了不同結(jié)構(gòu)的這種二極管，例如有；凹型階梯“陰極短路”結(jié)構(gòu)帶輔助二極管的結(jié)構(gòu)；陰極短路結(jié)構(gòu)；自調(diào)節(jié)發(fā)射效率與理想歐姆接觸二極管（SIOD）等。
為了滿足芯片與底座間的電學(xué)和散熱的要求，要在二極管的兩端實(shí)現(xiàn)歐姆接觸。由于快速軟恢復(fù)二極管的陽(yáng)極和陰極都具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和較淺的擴(kuò)散深度，大功率器件的傳統(tǒng)歐姆接觸工藝——燒結(jié)工藝將會(huì)破壞這種結(jié)構(gòu)及期望的性能。解決這一問題的方法是采用多層金屬的歐姆接觸工藝。二極管陽(yáng)極與陰極采用多層金屬工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)歐姆接觸是本課題的難點(diǎn)之一，也是重點(diǎn)之一。在現(xiàn)有的理論及實(shí)踐的基礎(chǔ)上，不斷完善其工藝流程，從而提高二極管的性能和成品率。
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http:leisuda.cn/news/2005-8/2005810184119.html
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