PiN二極管(基于Si&SiC)的討論

A

PiN 二極管
眾所周知，pn 結(jié)幾乎事所有功率器件的基本組成部分，那什么是 pin 呢？從表面我們可以直觀地看出，p 和 n 之間被"i"插了一腳，這個"第三者"實際上低摻雜的 n 層(n- 層)，它比外面層 p 和 n 層的摻雜低了幾個數(shù)量級。相對于單極型相比，pin 二極管的優(yōu)點在于：在基區(qū)大注入時，通態(tài)電阻會較大幅度地降低，我們稱之為電導(dǎo)調(diào)制，故 pin 二極管可以得到很高的阻斷電壓。

大多數(shù)的功率二極管都是 pin 二極管，從應(yīng)用的角度我們可以將之分為兩種主要類型：

①整流二極管：用于 50Hz 或 60Hz 的電網(wǎng)頻率，開關(guān)損耗起次要作用，在中間層有高的載流子壽命；

②快恢復(fù)二極管：用于開關(guān)器件的續(xù)流二極管(比如 IGBT 旁邊并聯(lián)的那個)，或者是在高頻變壓器后用作輸出的整流器。通常，它們能夠達到 20kHz 的開關(guān)頻率，并且能夠在 50~100kHz 或者更高的開關(guān)電源中工作。在 Si 基的快恢復(fù)二極管中，中間低摻雜層(n- 層)中的載流子壽命必須減小到規(guī)定的低值。

pin 二極管的結(jié)構(gòu)：根據(jù)結(jié)構(gòu)和工藝，pin 二極管可以分為兩種，外延和擴散。

前面我們在聊半導(dǎo)體的制造工藝時有聊過外延和擴散，大家可以去回顧下。對于外延二極管，首先 n- 層是用外延工藝沉積在高摻雜的 n+襯底上，然后用擴散工藝形成 p+層。從上圖可以看出，外延二極管的基區(qū)寬度ωB 很小，只有幾微米，所以靠著足夠厚的襯底晶片，可以使生產(chǎn)的晶片破損少，產(chǎn)量高。外延二極管主要用于阻斷電壓 100V~600V 的場合，某些也會生產(chǎn) 1200V 的外延二極管。

因為外延工藝的成本，對于更高阻斷電壓的二極管(一般指 1200V 以上)一般用擴散工藝制造。開始是用低摻雜的晶片，用擴散的方法得到 p+和 n+層，測試晶片的厚度是由中間 n- 層的厚度ωB 和擴散分布的深度來決定的。對于電壓較低的，所需ωB 相應(yīng)的也就小。用深的 p+層和 n+層，晶片的厚度可以再次增加，但是深的 p+層不利于二極管的反向恢復(fù)特性。所以，較薄晶片的工藝加工是很講究的，IFX 生產(chǎn)中有用到 80um 的晶片厚度(不知道現(xiàn)在到什么程度了)。

B

正向?qū)?amp;反向恢復(fù)
?開通特性

在功率二極管轉(zhuǎn)換到導(dǎo)通狀態(tài)時，在電壓下降至其正向電壓前，要先上升到開通電壓的峰值電壓 VFRM，這個電壓也叫正向恢復(fù)最大值。如下圖：

從圖中可見，開通時的這個電壓尖峰和電流變化率 di/dt 有關(guān)，在晶閘管為主的時期，那時的電流變化率一般都不高，VFRM 也只有幾伏。但是如今，IGBT 等開關(guān)器件工作時的電流變化率在一個很高的水平，此時的 VFRM 可能會達到小幾百伏。再加上 IGBT 關(guān)斷時的 di/dt 在寄生電感上產(chǎn)生一個電壓，疊加到 VFRM 上將產(chǎn)生一個很高的電壓尖峰。所以 VFRM 是不可忽略的一個重要參數(shù)，特別是在電壓較高的應(yīng)用場合下。

至于開通損耗，此時二極管的開通特性顯得就沒那么重要了，因為開通過程很快，開通損耗只占二極管關(guān)斷損耗或者導(dǎo)通損耗的百分之幾而已，熱計算時可以忽略。

?反向恢復(fù)

隨著二極管從導(dǎo)通到阻斷狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，存儲在二極管中的電荷必須被移出，引起二極管的反向恢復(fù)電流。

上圖是典型的二極管反向恢復(fù)的電壓電流波形，可以結(jié)合前面講到的 Diode 的反向恢復(fù)來看。

二極管的反向恢復(fù)電流波形可以分為兩個階段：

①波形達到 IRRM 后反向電流以 dir/dt 下降。在軟恢復(fù)二極管中，|dir/dt|是在|di/dt|范圍之內(nèi)的，同時反向恢復(fù)電流峰值 IRRM 是造成開關(guān)器件最重的負擔(dān)。

②尾部電流階段：此期間反向電流緩慢減小至終止。二極管的主要損耗產(chǎn)生在此階段，因為此時有一個很高的電壓加在二極管的兩端。較硬的二極管，雖然尾部階段得到減小，但是其較大的電流變化產(chǎn)生的電壓峰值和振蕩是很危險的，所以慢和軟的二極管是更為合適的，二極管的尾部電流減輕了開關(guān)器件的負擔(dān)。

關(guān)于損耗：

保持低的反向恢復(fù)峰值電流 IRRM 和使二極管儲存電荷的主要部分在拖尾階段抽出是有利于減小二極管損耗的。理想化電流電壓波形，我們能夠知道，二極管的關(guān)斷損耗是直接正比于反向恢復(fù)電荷 QRR 的。較準確的損耗可以使用電流電壓積分來得到。

所有的快速 Si 二極管都會用到復(fù)合中心，復(fù)合中心主要使載流子壽命降低從而使儲存電荷 QRR 降低，但是其會使得導(dǎo)通壓降增加，兩者需要折衷。對于二極管的所有特性起主導(dǎo)作用的參數(shù)是上面我們提到的低摻雜基區(qū)的寬度ωB。只要寬度ωB 足夠大，二極管的反向恢復(fù)特性就會變軟，但是這會導(dǎo)致很高的正向?qū)ê?/ 或開關(guān)損耗，這又是兩個矛盾的因素。但是現(xiàn)在的關(guān)于軟恢復(fù)特性的設(shè)計理念是在不用大大增加基區(qū)寬度來實現(xiàn)，所有產(chǎn)生了很多種技術(shù)特點的二極管，如 MPS 二極管(pin+肖特基)、發(fā)射極控制的(EMCON)二極管、軸向載流子壽命可控的(CAL)二極管、MOS 控制二極管(特定工作模式下也被稱作同步整流器)以及混合式二極管等等(這里就不逐一展開了)。

C

SiC 功率 pin 二極管
上面我們介紹了傳統(tǒng) Si 基 pin 二極管，第三代 WBG 作為新時代的寵兒，我們下面來看看 SiC 功率二極管相比 Si 有那些變化。

SiC pin 二極管具有高于 Si 的 2~3 個數(shù)量級的開關(guān)速度、高結(jié)溫承受能力、高電流密度以及更高的功率密度。

①擊穿電場提高了近一個數(shù)量級：設(shè)計時可以采用更薄和摻雜濃度更高的阻擋層；

②三倍高的寬禁帶：使得其擁有更高的工作溫度和更高的抗輻射能力；但是這也使得其內(nèi)建電勢比 Si 高三倍；

③高于 Si 三倍的熱導(dǎo)率(4.9K/W)：使得其散熱性能更高，能夠達到更高的功率。

SiC pin 二極管與同等級的 Si 基二極管相比，擁有很小的反向恢復(fù)電荷 QRR，主要原因有這么幾點：

⑴減薄了幾十倍的電壓阻擋層和高于幾十倍的摻雜濃度，這使得本征層中的少子電荷得到顯著的減小；

⑵這些更薄的電壓阻擋層所需的載流子壽命比 Si 的載流子壽命小 10 倍多；并且使得在溫度變化時，SiC pin 二極管具有非常溫度的正向?qū)▔航怠?/p>

就目前而言，SiC 仍處在初期，看似 Si 器件到了其極限，但是由于種種限制(成本、SiC 材料的質(zhì)量和制造工藝等等)，接下來的幾年乃至幾十年還是以 Si 為主導(dǎo)，同時 SiC 和 Si 相輔相成會持續(xù)很長一段時間。