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(gè)"第三者"實(shí)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(gè)數(shù)量級(jí)。相對于單極型相比，pin 二極管的優(yōu)點(diǎn)在于：在基區(qū)大注入時(shí)，通態(tài)電阻會(huì)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(gè))，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(dá)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(kuò)散。
前面我們在聊半導(dǎo)體的制造工藝時(shí)有聊過外延和擴(kuò)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(kuò)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(huì)生產(chǎn) 1200V 的外延二極管。
因?yàn)橥庋庸に嚨某杀荆瑢τ诟咦钄嚯妷旱亩O管(一般指 1200V 以上)一般用擴(kuò)散工藝制造。開始是用低摻雜的晶片，用擴(kuò)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(kuò)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(shí)，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(gè)電壓也叫正向恢復(fù)最大值。如下圖：
從圖中可見，開通時(shí)的這個(gè)電壓尖峰和電流變化率 di/dt 有關(guān)，在晶閘管為主的時(shí)期，那時(shí)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(shí)的電流變化率在一個(gè)很高的水平，此時(shí)的 VFRM 可能會(huì)達(dá)到小幾百伏。再加上 IGBT 關(guān)斷時(shí)的 di/dt 在寄生電感上產(chǎn)生一個(gè)電壓，疊加到 VFRM 上將產(chǎn)生一個(gè)很高的電壓尖峰。所以 VFRM 是不可忽略的一個(gè)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(shí)二極管的開通特性顯得就沒那么重要了，因?yàn)殚_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(jì)算時(shí)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(chǔ)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(gè)階段：
①波形達(dá)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(shí)反向恢復(fù)電流峰值 IRRM 是造成開關(guān)器件最重的負(fù)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?yàn)榇藭r(shí)有一個(gè)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(xiǎn)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(fù)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(chǔ)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(zhǔn)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(huì)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(chǔ)存電荷 QRR 降低，但是其會(huì)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(huì)變軟，但是這會(huì)導(dǎo)致很高的正向?qū)ê?/ 或開關(guān)損耗，這又是兩個(gè)矛盾的因素。但是現(xiàn)在的關(guān)于軟恢復(fù)特性的設(shè)計(jì)理念是在不用大大增加基區(qū)寬度來實(shí)現(xiàn)，所有產(chǎn)生了很多種技術(shù)特點(diǎn)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(shí)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(gè)數(shù)量級(jí)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(gè)數(shù)量級(jí)：設(shè)計(jì)時(shí)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(dá)到更高的功率。
SiC pin 二極管與同等級(jí)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(diǎn)：
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(shí)，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(shí) SiC 和 Si 相輔相成會(huì)持續(xù)很長一段時(shí)間。