提高高压功率快恢复二极管过流关断能力的研究

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高压功率快恢复二极管(Fast Recovery Diode,FRD)常与全控型开关器件反并联构成完整的开关模块,在电路开关过程中起提供回路能量泄放的作用,防止感性负载回路硬关断时产生危险的过电压。高压功率快恢复二极管(FRD)的基区掺杂浓度通常很低,导致二极管在过流关断条件反向恢复过程中会发生动态雪崩。严重的动态雪崩将会引发电流丝化,当电流丝趋向于固定在某一位置,就可能引发严重的局部温升,使器件烧毁。针对功率FRD在过流关断中的雪崩问题进行深入研究十分迫切。结合具体结构分析高压FRD的动态雪崩情况并提出抗雪崩改善措施,具有重要意义。本文工作在这方面展开,具体内容和结果如下:  文献及仿真均表明,二极管有源区与结终端的连接处,往往是发生动态雪崩烧毁的弱点部位。此外,背面n+/n-结面处的电场强度及其在过流关断过程中的局部尖峰化,是导致高压FRD过流关断失效的重要诱因。本文分别从正面和背面设计上的改变入手,探讨了提高FRD过流关断能力的有效方法。在正面设计中,利用p型缓冲区阳极的低掺杂浓度,在主结的边缘处引入了横向电阻区;在背面设计中,则引入了均匀分布的局域p型区。利用Sentaurus TCAD软件,对具有常规结构、具有正面改进结构以及兼具正面和背面改进结构的3.3kV FRD在感性负载下2倍过流关断过程进行了热电耦合的瞬态仿真分析和比较。结果表明,正面主结边缘与电阻连接区的尺寸不同可以引发器件不同位置的电流集中和丝化,严重者可导致器件烧毁;当电阻连接区增加到一定长度时,可以有效避免器件烧毁。同时,文中对电阻区的作用和机理给出了新的解释和分析。对具有最佳电阻连接区尺寸的器件再引入背面局域p型区,由于在反向恢复后期局域p型区的空穴注入有利于抑制背面局域电场峰值的增强,器件在过流关断时发生的电流丝化变得更弱,使局部温升降低,进一步降低了过流关断失效的风险。说明这2方面的改进设计,能够有效地提升高压FRD的过流关断能力。  综上,本文对正面引入低掺杂电阻连接区和背面引入局域p型区改善高压FRD过流关断能力的效果和机理,进行了仿真计算、验证和深入的机理分析,这些结果,为后续的流片及性能测试提供了必要的参考,是整个研发过程的重要组成部分。
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