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，都需要一個與之并聯(lián)的快速二極管，以通過負載中的無功電流，減小電容的充電時間，同時抑制因負載電流瞬時反向而感應(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，且正向時它可以在很低的電壓下就會導(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，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，對整個電路的正常工作產(chǎn)生重要影響。
目前現(xiàn)狀
目前，國內(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。國際上快速二級管的水平已達到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。我國的外延工藝水平較低，尚停留在研究階段，成品率較低，相對成本較高；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)時間短；更要求反向恢復(fù)特性也較好，即反向恢復(fù)時間短，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過程，開通初期出現(xiàn)較高的瞬態(tài)壓降，經(jīng)過一定時間后才能處于穩(wěn)定狀態(tài)，并具有很小的管壓降。這就是說，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，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)用時顯得非常重要。
開通時二極管呈現(xiàn)的電感效應(yīng)，除了器件內(nèi)部機理的原因之外，還與引線長度、器件封裝采用的磁性材料等因素有關(guān)。電感效應(yīng)對電流的變化率最敏感，因此開通時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)時間也越長。
關(guān)斷特性
所有的PN結(jié)二極管，在傳導(dǎo)正向電流時，都將以少子的形式儲存電荷。少子注入是電導(dǎo)調(diào)制的機理，它導(dǎo)致正向壓降（VF）的降低，從這個意義上講，它是有利的。但是當(dāng)正在導(dǎo)通的二極管突然加一個反向電壓時，由于導(dǎo)通時在PN結(jié)區(qū)有大量少數(shù)載流子存貯起來，故到截止時要把這些少數(shù)載流子完全抽出或是中和掉是需要一定時間的，即反向阻斷能力的恢復(fù)需要經(jīng)過一段時間，這個過程就是反向恢復(fù)過程，發(fā)生這一過程所用的時間定義為反向恢復(fù)時間（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是一個重要的參數(shù)。若dirr/dt過大，由于線路存在電感L，則會使反向峰值電壓URM過高，有時出現(xiàn)強烈振蕩，致使二極管損壞，可以用軟特性和硬特性的概念來表示dirr/dt對反向特性的影響。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用意義。耗盡儲存電荷所需的總的時間定義為反向恢復(fù)時間trr，作為開關(guān)速度的量度，它是選用二極管時的一個非常重要的參數(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)合而消失的時間長短。所以，軟度因子與少子壽命控制方法、基區(qū)寬度和擴散濃度分布、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)擴展后的剩余基區(qū)內(nèi)駐留更多的殘存電荷，并駐留更長的時間將提高軟度因子。
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，從而影響整個電路的正常工作；其次一個實際的PIN整流器，開通瞬間正向壓降幅值要比穩(wěn)態(tài)壓降高一個數(shù)量級，該電壓峰值可以超過30V，這主要是由少子有限的擴散速度造成的，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)來達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，有意識的選擇某種合適的深能級重金屬雜質(zhì)擴散在半導(dǎo)體中，可以用來降低少子壽命，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：它的特點是通過對電子注入劑量的調(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)對少子壽命的不同要求，而且它可以在器件制造完成后進行，使制作過程簡單化、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多子而言。由于n-n+高低結(jié)產(chǎn)生的內(nèi)建電場的影響，對少子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)的選擇擴散方法得到，也可以采用肖特基接觸代替整個p+區(qū)，可以省去一次選擇擴散過程。
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，使二極管在正偏時具有低耗整流特性，偏時具有快速開關(guān)特性。具有理想歐姆接觸的二極管反向恢復(fù)時間可達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、鉑或電子輻照來降低少子壽命而獲得，然而由于反向恢復(fù)時間、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)時間短、恢復(fù)時反向峰值電流小、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現(xiàn)歐姆接觸。由于快速軟恢復(fù)二極管的陽極和陰極都具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和較淺的擴散深度，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。二極管陽極與陰極采用多層金屬工藝來實現(xiàn)歐姆接觸是本課題的難點之一，也是重點之一。在現(xiàn)有的理論及實踐的基礎(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，且正向時它可以在很低的電壓下就會導(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，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，對整個電路的正常工作產(chǎn)生重要影響。
目前現(xiàn)狀
目前，國內(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。國際上快速二級管的水平已達到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。我國的外延工藝水平較低，尚停留在研究階段，成品率較低，相對成本較高；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)時間短；更要求反向恢復(fù)特性也較好，即反向恢復(fù)時間短，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過程，開通初期出現(xiàn)較高的瞬態(tài)壓降，經(jīng)過一定時間后才能處于穩(wěn)定狀態(tài)，并具有很小的管壓降。這就是說，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，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)用時顯得非常重要。
開通時二極管呈現(xiàn)的電感效應(yīng)，除了器件內(nèi)部機理的原因之外，還與引線長度、器件封裝采用的磁性材料等因素有關(guān)。電感效應(yīng)對電流的變化率最敏感，因此開通時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)時間也越長。
關(guān)斷特性
所有的PN結(jié)二極管，在傳導(dǎo)正向電流時，都將以少子的形式儲存電荷。少子注入是電導(dǎo)調(diào)制的機理，它導(dǎo)致正向壓降（VF）的降低，從這個意義上講，它是有利的。但是當(dāng)正在導(dǎo)通的二極管突然加一個反向電壓時，由于導(dǎo)通時在PN結(jié)區(qū)有大量少數(shù)載流子存貯起來，故到截止時要把這些少數(shù)載流子完全抽出或是中和掉是需要一定時間的，即反向阻斷能力的恢復(fù)需要經(jīng)過一段時間，這個過程就是反向恢復(fù)過程，發(fā)生這一過程所用的時間定義為反向恢復(fù)時間（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是一個重要的參數(shù)。若dirr/dt過大，由于線路存在電感L，則會使反向峰值電壓URM過高，有時出現(xiàn)強烈振蕩，致使二極管損壞，可以用軟特性和硬特性的概念來表示dirr/dt對反向特性的影響。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用意義。耗盡儲存電荷所需的總的時間定義為反向恢復(fù)時間trr，作為開關(guān)速度的量度，它是選用二極管時的一個非常重要的參數(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)合而消失的時間長短。所以，軟度因子與少子壽命控制方法、基區(qū)寬度和擴散濃度分布、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)擴展后的剩余基區(qū)內(nèi)駐留更多的殘存電荷，并駐留更長的時間將提高軟度因子。
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，從而影響整個電路的正常工作；其次一個實際的PIN整流器，開通瞬間正向壓降幅值要比穩(wěn)態(tài)壓降高一個數(shù)量級，該電壓峰值可以超過30V，這主要是由少子有限的擴散速度造成的，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)來達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，有意識的選擇某種合適的深能級重金屬雜質(zhì)擴散在半導(dǎo)體中，可以用來降低少子壽命，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：它的特點是通過對電子注入劑量的調(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)對少子壽命的不同要求，而且它可以在器件制造完成后進行，使制作過程簡單化、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多子而言。由于n-n+高低結(jié)產(chǎn)生的內(nèi)建電場的影響，對少子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)的選擇擴散方法得到，也可以采用肖特基接觸代替整個p+區(qū)，可以省去一次選擇擴散過程。
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，使二極管在正偏時具有低耗整流特性，偏時具有快速開關(guān)特性。具有理想歐姆接觸的二極管反向恢復(fù)時間可達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、鉑或電子輻照來降低少子壽命而獲得，然而由于反向恢復(fù)時間、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)時間短、恢復(fù)時反向峰值電流小、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現(xiàn)歐姆接觸。由于快速軟恢復(fù)二極管的陽極和陰極都具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和較淺的擴散深度，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。二極管陽極與陰極采用多層金屬工藝來實現(xiàn)歐姆接觸是本課題的難點之一，也是重點之一。在現(xiàn)有的理論及實踐的基礎(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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