CAL功率二极管的参数优化与工艺控制

发布时间：2020-03-22 22:21

【摘要】：功率半导体器件分为开关器件和功率整流管。自上个世纪五十年代第一只晶闸管诞生,开关器件有了迅速的发展。尤其是功率MOSFET和IGBT等现代功率半导体器件出现以后,电力系统在更高频下运行的能力受限于功率整流管的开关特性。为了与高性能开关器件同步发展,功率整流管的性能急需提高。高品质的二极管要求二极管的正向导通压降小、反向恢复时间短、反向恢复峰值电流小、反向恢复软度因子大。因此,研究功率二极管的反向恢复特性,优化载流子的分布具有很强的现实意义。本文首先对FRD的基本结构、工作原理及主要参数进行了分析,采用理论计算和计算机仿真相结合的方法,确定出800V PIN二极管的纵向结构参数;第二对寿命控制技术进行了分析,寿命控制技术包括整体寿命控制和局域寿命控制(the Axial Lifetime Control,CAL)。通过对各种寿命控制技术进行比较,确定出局域寿命控制技术为本设计的寿命控制技术;第三根据所设计的结构参数,利用工艺仿真软件SILVACO TCAD,对实现该结构FRD的工艺进行了模拟仿真,确定了工艺参数和工艺条件;第四采用离子注入对CAL的质子辐照工艺进行了模拟与仿真,根据相关文献,采取两次质子辐照,在FRD内部实现两个低寿命区。通过对一次质子辐照和两次质子辐照条件下对二极管的正向导通压降V_F、反向恢复时间t_(rr)、反向恢复峰值电流I_(RR)、反向恢复软度因子S影响的分析,确定出质子辐照最佳工艺条件。一次质子辐照的最佳工艺条件为:当辐照能量为2.36MeV,辐照剂量为5e10cm~(-2)时,软度因子为0.76,通态压降为2.3V,反向恢复时间为234ns,反向恢复峰值电流为41.2A;两次质子辐照的最佳工艺条件为:当第一次辐照能量为0.8MeV,第二次质子辐照能量为3.33MeV时,软度因子为2.06,反向恢复时间为127ns,通态压降为2.53V,反向恢复峰值电流为32.7A。本文完成800V PIN二极管的参数设计,通过仿真分析出一次质子辐照和两次质子辐照条件下,PIN二极管各参数随着辐照能量和辐照剂量的变化。
【图文】：

特性曲线,二极管,特性曲线,基区

图 2.2 PIN 二极管的反向阻断特性曲线Fig. 2.2 Reverse blocking characteristics of PIN diode虑一般二极管的非穿通情况，本征基区的宽度比空间电荷区的宽度要宽穿电压可以表示为：D2r0BRBR2eNEV 中，EBR为临界击穿电场强度，εr为相对介电常数，ε0为真空介电常数。过上式，我们可以发现，较高的电阻率材料可以提高二极管的反向耐压极管在反偏时空间电荷区的展宽，，二极管的基区应该具有较大的厚度。，存储的电荷越多，不利于反向恢复特性。正向特性的分析IN 二极管在正向导通时，阳极区和阴极区的掺杂浓度大于基区的掺杂浓浓度梯度，所以阳极区和阴极区会分别向基区注入空穴和电子。当注入

能带图,二极管,压降

图 2.3 PIN 二极管能带图Fig. 2.3 band diagram of PIN diodeIN 二极管外加正向偏压时，J1和 J2结的势垒降低，因此，电子注入到 I 区，假设 J1结和 J2结是理想发射极，那么通过 J1结的通过 J2结的所有电流为电子电流。极管的正向压降由三部分组成，分别为 PN 结结压降F J1 V ，I 区+压降F J2 V ，即：FF J1 mF J2 V V V V上的压降由少子密度决定。根据 PN 结理论，可以得到 PN 结与分别为： KTqVpdnFJ1iexp KTqVpdndnFJ2iexp
【学位授予单位】：沈阳工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN313.4

【参考文献】