提高3.3kV功率快恢复二极管动态雪崩耐量的仿真研究

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在全球性的能源短缺和环境恶化问题日益突出的今天,以功率半导体器件为基础的现代电力电子技术在电力、输运、交通、照明、工业制造和医疗设备等领域发挥着极其重要的作用。在诸多应用场合,例如桥式电路,半导体功率开关器件需要反并联一个续流二极管(Free-Wheeling Diode,FWD)配对使用。高压二极管由于基区掺杂浓度低,在反向恢复的动态过程中,在远没有达到静态击穿电压的条件下就会发生动态雪崩,影响系统在高压高频领域中的应用。如何提高高压FWD的动态雪崩耐量是当前国内外功率器件研究领域的前沿课题。本文以提高3.3kV功率FWD动态雪崩耐量为目标,进行了深入的仿真研究。本文的核心思想是:通过降低阳极发射效率,并结合寿命控制和高斯分布缓冲层结构,改善二极管有源区的抗动态雪崩特性;以及在合理的终端结构设计的基础上,通过引入P型缓冲层形成电阻区结构,改善终端区的抗动态雪崩特性。本文借助二维器件仿真工具,完成了以下工作:(1)针对二极管的有源区部分,分析了二极管关键结构参数的影响,其中包括:阳极P区掺杂浓度、寿命控制程度、基区宽度和缓冲层结构等。仿真结果表明,相比参考结构优化后的有源区动态雪崩耐量可提高63%左右。(2)设计了两种适用于耐压等级为3.3kV器件的终端结构——结终端延伸(Junction Termination Extension,JTE)和横向变掺杂(Variation of LateralDoping,VLD),仿真计算得出的终端效率均达到90%以上,首次比较了这两种终端的动态雪崩特性,仿真结果表明VLD相比JTE具有更好的抗动态雪崩能力;(3)创新性的提出一种通过P型缓冲层形成的电阻区结构,成功的改善了终端区动态雪崩引起的电流集中问题,优化后的终端区动态雪崩耐量提高35%左右。(4)综合结终端区和有源区(平行平面结)的分析结果,给出了一个具有较高动态雪崩耐量的3.3kV二极管结构设计,功率密度达2.14MW/cm2时二极管仍然能够实现顺利关断。数值分析结果表明,本文给出的3.3kV功率FWD结构在保证器件基本特性参数合理的前提下,能够显著提高器件的动态雪崩耐量。这些特性表明,本文所做的工作可以作为研制具有较高动态雪崩耐量的高性能3.3kV功率FWD的一种现实参考。
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