快恢復二極管P-i-N的基本結構

通常，額定電流超過1安培的半導體器件稱為功率半導體。它們阻斷電壓范圍從幾伏一直到上萬伏。在眾多的功率半導體器件中，功率二極管是相對簡單的一種器件，但它同時也是在電力電于電路中應用最為廣泛的一種常用基礎器件。它不僅應用于簡單的整流電路，同時也常常用作續(xù)流二極管(簡稱FWD)，簡單的單相半橋式逆變電路中，與可控的開關器件匹配，反并聯(lián)使用，以繼續(xù)維持感性負載上的電流，防止由于電流的突然跌落產生的電壓尖峰。這種FWD的使用，在開關電源、變頻電源、不間斷電源、變頻電機驅動等很多應用場合大量存在。

快恢復二極管具有反向阻斷時高耐壓低漏電流，正向低通態(tài)電阻大電流的特點。由于作為開關使用，因此一般需要其開關速度較快。另外，適當選擇續(xù)流二極管的特性，尤其是反向恢復特性，如反向恢復時間和反向恢復軟度，能夠顯著減少開關器件、二極管和其他電路元件的功耗，并減小由續(xù)流二極管引起的電壓尖峰、電磁干擾，從而盡量減少甚至去掉吸收電路。

功率二極管與普通二極管的區(qū)別在于它具有額定工作電流大，阻斷電壓高的特點。因此，為了實現(xiàn)高耐壓，不能使用普通的PN結結構，而是普遍采用P-i-N結構。

P-i-N結構的二極管，在普通的PN結之間加了一個i區(qū)，代指輕摻雜的半導體區(qū)。由于PN結是通過耗盡區(qū)的擴展來承受壓降的，因此，由泊松方程可知，耗盡區(qū)內的凈電荷密度越小，電場斜率就越小，而又由于電場峰值處在PN結處，因此，輕摻雜一側的半導體耗盡后，場下降緩慢，電壓為電場在位置上積分，便可以承受較大的電壓。因此，最好，在PN結之間有一個本征區(qū)，這樣，電場就可以平著一段距離，以實現(xiàn)較大耐壓。i代表本征區(qū)的含義，但本征半導體在實際工藝中是不現(xiàn)實的，因此，i區(qū)實際上是一個輕摻雜的半導體區(qū)。通常，這個i區(qū)是輕摻雜的N區(qū)，原因主要有兩個：一是，通過使用中子嬗變的工藝，可制造出摻雜濃度低且非常均勻的N型摻雜;二是，對于同一給定電壓級別，P+N結制成的器件厚度比N+P結制成的器件厚度要薄，同時器件功耗是與它們的厚度平方約成正比增加的。前面已經提到了P-i-N結構的P+N結區(qū)了，下面介紹剩下的N區(qū)的必要性。

對于半導體與金屬電幾的接觸，由于N型半導體不像P型半導體可以低摻雜一樣容易與金屬形成良好的歐姆接觸，與其摻雜濃度低于1019cm-3時就會產生較高的接觸電阻，因此，i區(qū)不能直接與金屬電極相連，以免產生較大壓降及過多功耗。通過在輕摻雜的i區(qū)側添加一個重摻雜的N+層，便可以解決該問題。這也就形成了功率二極管P-i-N的基本結構。由于反偏狀態(tài)下，PN結結角處會有電力線集中，因此簡單的P-i-N二極管通常其耐壓值更遠小于相應的理想平行平面結的耐壓。為了改善其耐壓特性，通過引入結終端技術，回采用分壓場環(huán)、保護環(huán)、場板、或使用臺面結構、正斜角、負斜角終端來提高終端效率，實現(xiàn)最大程度的耐壓。

快恢復二極管正向的低阻，是通過PN結正偏時，向i區(qū)注入大量的等離子體，這些過剩的載流子濃度遠超過i區(qū)平衡時的載流子濃度，形成對i區(qū)的電導調制來實現(xiàn)的。然而，這些注入的大量過剩載流子，在PN結反偏，也就是二極管關斷時，卻會大大拖慢器件的關斷時間。由于i區(qū)通常要有一定的厚度來維持耐壓，因此，器件在正偏工作時里面儲存的少數(shù)載流子需要通過漂移、復合才能消失，但這是需要一定時間的，這也就形成了功率二極管的反向恢復過程。由于快恢復二極管通常與其他開關器件反并聯(lián)使用，反向恢復過程嚴重制約了器件的高額性能，極大影響到其他器件以及整個系統(tǒng)的工作頻率及性能，因此需要極力減小、消除。

摻雜的i區(qū)側添加一個重摻雜的N+層，便可以解決該同題。這也就形成了快恢復二極管P-i-N的基本結構。

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審核編輯：湯梓紅