MPS二極管特性折衷的研究

張曉勇，關艷霞

（沈陽工業大學信息科學與工程學院，沈陽110870）

1 引言

在開關電源或逆變電路中，快速軟恢復二極管得到大量的使用。特別是在IGBT模塊中需要反向恢復特性快而軟的續流二極管，以提高IGBT的開關特性[1]。對于低壓系統，可以使用肖特基二極管。對于中高壓系統，大部分使用PIN結構的二極管。但是，這種PIN二極管具有較差的開關特性（大峰值反向恢復電流，長關斷時間和較差的反向di/dt）[2]。通常通過金或鉑摻雜、電子輻照、輕離子輻照等少數載流子壽命控制技術，來改善PIN二極管的反向恢復特性。但是這種壽命控制技術導致正向壓降和反向漏電流的增加[3-4]。

通過改變陽極結構，控制陽極的注入效率，調制其內部的載流子分布，從而獲得較軟的反向恢復特性和較好的導通特性[5]。MPS二極管合并了PIN二極管和肖特基二極管，利用PIN二極管在大注入條件下的電導調制效應，從而使肖特基的漂移區電阻減小，在大的電流密度下，降低了導通壓降[6-7]。而且這種二極管不需要使用額外的壽命控制技術，可以在器件設計期間通過改變肖特基區的面積優化正向導通和反向恢復特性，節省了成本[8]。與其它結構的二極管相比，MPS二極管具有更好的反向恢復和正向導通的折衷特性[9]。

2 MPS二極管的結構

MPS二極管的結構如圖1所示，其基礎結構參數為：Wp+=6μm，Wn-=173μm,Wn+=41μm, 單晶 Si片總厚度H=Wp++Wn-+Wn+=220μm。其中，p+區表面濃度為 5e18，n+區表面濃度為1e19，n-區的濃度為7.6e13。

圖1 MPS二極管結構

首先對圖1所示的MPS二極管的正向特性、反向阻斷特性和反向恢復特性進行分析，然后優化元胞的尺寸和肖特基區域的面積，使得MPS二極管具有正向導通電壓和反向恢復特性的良好折衷，同時具有較小的反向漏電流。

3 MPS二極管特性仿真與分析

3.1 正向導通特性的仿真分析

利用Silvaco軟件對圖1所示的MPS二極管進行仿真，圖2中的圖2(a)、圖2(b)分別為不同元胞寬度和不同肖特基面積比的正向導通特性。

圖2 MPS二極管的正向特性

由圖2(a)中可以看出，隨著元胞面積的增大，在100A/cm2的電流密度下，正向壓降逐漸減小。這是因為元胞面積增大，PIN區也相應增大，注入的少量載流子增多，電導調制效應更好，壓降減小。當取相同的PIN區寬度（如圖2(b)）不同的肖特基區面積時，隨著肖特基區面積的增大，在100A/cm2的電流密度下，正向壓降逐漸增大。這是因為隨著肖特基面積的增大，注入的空穴數目減少，漂移區電導調制效應變弱，正向壓降增大。

3.2 反向阻斷特性的仿真分析

如圖1所示，PIN二極管和肖特基二極管混合在一起，形成了MPS二極管結構。MPS二極管結構中PN結之間的距離，要求設計成在相對較小的反向偏壓下被夾斷。PN結之間的距離耗盡以后，勢壘形成在肖特基金屬下方，它屏蔽了施加在陰極的反向偏壓。與普通的肖特基二極管相比，通過選擇合適的PN結之間的距離，使MPS二極管中肖特基接觸處的電場大大減小。這就抑制了肖特基勢壘降低，從而MPS二極管中的漏電流降低到遠低于肖特基二極管的漏電流[10]。

圖3中的圖3(a)、圖3(b)分別為不同元胞寬度和不同肖特基面積比的反向阻斷特性曲線。在反向阻斷的過程中，PN結形成的勢壘屏蔽了肖特基表面的電場，從而避免了勢壘降低效應，提高了阻斷電壓。選取A1A2虛線位置，得出了電場的分布情況如圖4所示。其中仿真溫度為125℃。

圖3 MPS二極管反向阻斷特性曲線

從圖3(a)可以看出，取50%肖特基面積，不同元胞面積對反向阻斷特性影響不大。但是取相同的PIN區的寬度，如圖3(b)所示隨著肖特基面積的增大，反向電流密度逐漸增大，這是因為PIN區的屏蔽作用減弱，肖特基勢壘降低效應增強，使反向電流密度增大。A1A2虛線位置的電場的分布情況如圖4所示（仿真溫度為125℃），從中可以看出，PN結的屏蔽使最大電場強度發生在體內。

圖4 MPS二極管反向阻斷的電場分布

3.3 反向恢復特性的仿真分析及特性折衷

因為沒有PN結的正向注入，正向導通的MPS二極管中的肖特基區載流子濃度很低。因為關斷時要消除存儲電荷，使得MPS二極管載流子分布優于PIN二極管中觀察到的載流子分布。MPS二極管表現出了較小的反向恢復峰值電流和存儲電荷，因此降低了開關的功率損耗。另外，可以通過改變MPS二極管結構中PN結和肖特基接觸的相對面積來實現導通壓降和反向恢復功率損耗之間的折衷。另外可以使用PIN二極管的壽命控制技術，實現折衷曲線的進一步優化[10]。

在功率器件的雙脈沖測試電路中，FRD作為續流二極管在主開關器件第二次開通時將經歷反向恢復過程。圖5為反向恢復仿真的簡化電路，第一階段的穩態仿真計算二極管在通態電流下的電路特性。第二階段仿真反向恢復過程，反向恢復的電流下降速率由電源電壓和電感決定。

圖5 MPS二極管反向恢復特性仿真電路

圖6為不同元胞寬度和不同肖特基面積的反向恢復特性曲線[11]。從圖6(a)可以看出，取50%肖特基面積，隨著元胞面積的增大，反向恢復時間增大，并且反向峰值電流也增大。當取PIN區寬度相同時（如圖6(b)），隨著肖特基面積的增大，反向恢復時間逐漸減小，同時反向峰值電流也減小。

圖6 MPS二極管反向恢復特性曲線

圖7為相同肖特基面積比不同元胞大小和相同PIN區寬度不同肖特基面積的正向導通和存儲電荷的折衷特性。從圖7(a)可以看出，相同的肖特基面積，隨著元胞面積的增大，正向壓降逐漸減小，但是存儲電荷卻逐漸增多。存儲電荷增多，使得反向恢復特性變差。如圖7(b)所示，相同的PIN區寬度，隨著肖特基區面積的增大，正向導通壓降增大，存儲電荷減少，同時也給出了1200V時的反向電流密度。

圖7 MPS漂移區儲存電荷與結構參數的關系

圖8給出了MPS二極管反向恢復期間的載流子衰減過程。在0.8μs時，MPS二極管開始承受反向阻斷電壓，此后恢復過程會產生拖尾電流。由于載流子的衰減速度決定二極管是否具有軟恢復特性，尤其在反向恢復末期，當NN+結附近的載流子濃度達到一定值時才能保證軟度。在0.8μs以后末端仍有較多的載流子，所以MPS二極管的軟度特性很好。

圖8 MPS二極管反向恢復期間載流子濃度的變化

4 結束語

通過使用Silvaco軟件仿真了MPS二極管的正向導通特性、反向阻斷特性和反向恢復特性，并且對正向導通特性和反向恢復特性進行了折衷優化，在不使用壽命控制技術的條件下，通過優化肖特基面積，可以獲得更好的折衷特性。并且通過改變結構參數對這些特性進行了優化。

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