eng
Выпуск #6/2006
В.Громов, А.Лебедев, В.Потапчук, П.Ястребов.
Конструктивнотехнологические особенности эмиттера быстро восстанавливающихся диодов с мягким восстановлением
Конструктивнотехнологические особенности эмиттера быстро восстанавливающихся диодов с мягким восстановлением
Просмотры: 3348
Быстро восстанавливающиеся диоды (БВД) используются в качестве элементной базы управляемых твердотельных ключей постоянного тока – IGBT, IGCT и т.п. Требования к комплектным БВД (т.е. диодам, согласованным с IGBT, IGCT для сборки в один модуль) весьма жесткие и технологически трудновыполнимые. Прежде всего они не должны уступать IGBT по быстродействию и должны иметь оптимальное сочетание статических и динамических параметров. Кроме того, БВД должны обеспечивать мягкий характер обратного восстановления и обладать повышенной устойчивостью к высоким скоростям изменения тока коммутации при работе на индуктивную нагрузку.
В режиме обратного восстановления, когда диод закрывается, накопленный им заряд должен разрядиться, что приводит к росту его обратного тока. Кривая этого тока характеризует режим обратного восстановления диода (рис.1). Время восстановления обратного сопротивления trr определяется интервалом между началом процесса восстановления обратного сопротивления t0 и моментом, когда значение обратного тока диода достигает 20% пикового значения Irrm.
Для процесса мягкого восстановления обратного сопротивления диода характерен график, приведенный на рис.1. Одним из условий получения мягкого восстановления является увеличение коэффициента "мягкости" s = trrf/trrr, где trrf – время спада тока обратного восстановления (reverse recovery current fall time), определяемое по уровню 0,2 Irrm; trrr – время нарастания тока обратного восстановления (reverse recovery current rise time). Это достигается путем контролируемого уменьшения эффективности инжекции эмиттера и, следовательно, концентрации избыточных носителей в базе со стороны эмиттерного p+-n(p-i)-перехода. Для заданного значения trr это эквивалентно требованию уменьшения значений времени нарастания тока обратного восстановления trrr и, соответственно, пиковых значений обратного тока Irrm.
Другое условие "мягкости" восстановления – исключение эффекта срыва, т.е. резкого сброса обратного тока с чрезмерно высокой скоростью dIR/dt.
Один из способов улучшения режимов восстановления диодов и увеличения коэффициента "мягкости" – реализация так называемой эмиттерной концепции. В обычных p-i-n-диодах (рис.2) p-n-переход накапливает больше носителей заряда, чем n-n+-переход. Эмиттерная концепция предусматривает формирование обратного распределения носителей заряда: превышение концентрации носителей в n-n+-переходе по сравнению с p-n-переходом за счет уменьшения инжекции носителей p-эмиттером.
Существуют различные структуры эмиттеров, способствующих снижению инжекции. Например, "p-i-n/Шоттки диод", состоящий из последовательности р+-областей и областей c переходом Шоттки [1] (рис. 2а). Достоинства перехода Шоттки или подобных ему областей – малые значения падения прямого напряжения (0,5–0,6 В) при номинальном токе и отсутствие избыточного тока – проявляются лишь при обратном напряжении менее 600 В. При значениях обратного напряжения 1000 В и более достоинства использования областей Шоттки слабо ощутимы.
Сегодня разработки направлены на улучшение режима обратного восстановления путем уменьшения концентрации носителей эмиттера [2, 3]. Однако этот, казалось бы, простой метод снижения эффективности эмиттера приводит к увеличению падения прямого напряжения из-за увеличения сопротивления перехода металл-эмиттер. Кроме того, как показали статистические данные, число отказов, вызванных низкой концентрацией примеси эмиттера диодов и, следовательно, высоким сопротивлением p--области (160 Ом/кв), было больше, чем у диодов с высокой концентрацией примеси и меньшим сопротивлением p-области (60 Ом/кв). Но у диодов с низкой концентрацией примеси p-области процесс обратного восстановления улучшался. Таким образом, требования к технологии формирования БВД противоречивы: с одной стороны, необходимо обеспечить "мягкое" восстановление, с другой – динамическую устойчивость, и даже при ограничении "мягкого" восстановления выхода диодов из строя полностью избежать не удается.
Дальнейшего улучшения процесса обратного восстановления можно добиться за счет комбинации двух последних вариантов – создания ячеистой структуры с чередующимися p+- и p--областями. Правда, и этот метод формирования эмиттера не лишен недостатков. Наличие мелких (глубиной менее 1 мкм) слаболегированных областей (с концентрацией носителей менее 1016 см-3) приводит к снижению выхода годных диодов, так как при обратном смещении области мелкого перехода не всегда защищаются за счет перекрытия объемным зарядом смежных p+-областей, что обусловлено поверхностными дефектами кристалла, возникающими при проведении технологических операций.
Указанные недостатки можно устранить путем формирования глубокой (6–20 мкм) слаболегированной (менее 7·1015 см-3) области эмиттера и последующего легирования поверхностного слоя до концентрации 5·1018 см-3 для обеспечения надежного контакта эмиттера с металлом. В такой конструкции эмиттер действует так же, как и в ячеистой.
Были изготовлены и обследованы образцы БВД на ток 50 А с различной конструкцией эмиттера (см. таблицу). Для получения требуемого быстродействия кристаллы с диодами перед посадкой в корпус прошли операцию регулирования времени жизни неосновных носителей путем облучения протонами.
Наилучшими динамическими параметрами обладают диоды р+-Шоттки. Однако при температуре 125°С обратные токи этих диодов оказались максимальными в сравнении с другими типами диодов (до 4 мА), что не позволяет использовать их в качестве элементной базы управляемых твердотельных ключей постоянного тока. В то же время по выходу годных диоды с глубоким р--слоем эмиттера превосходили в полтора раза диоды с р+-Шоттки и ячеистой структурами эмиттера. Очевидно, такая структура эмиттера предпочтительна с точки зрения выполнения противоречивых требований к одновременному обеспечению "мягкого" восстановления обратного сопротивления и технологичности изготовления БВД.
Литература
1. Baliga, B.J. Analysis of a High Voltage Merged
p-i-n/Schottky (MPS).– Rectifier IEEE El. Dev. Letters,
1987, Edl., v.8, No.9.
2. Porst A. et al. Improvement of the Diode Characteristics using Emitter-Controlled Principles (EMCONDiode).– ISPSD, 1997, Weimar Proc., p.213–216.
3. Rahimo M.T.; Shammas N.Y.A. Optimisation of the Reverse Recovery Behavior of Fast Power Diodes Using Injection Efficiency and Lifetime Control Techniques.– EPE'97, Trondheim. Proc., v.2, p.99–10.
Для процесса мягкого восстановления обратного сопротивления диода характерен график, приведенный на рис.1. Одним из условий получения мягкого восстановления является увеличение коэффициента "мягкости" s = trrf/trrr, где trrf – время спада тока обратного восстановления (reverse recovery current fall time), определяемое по уровню 0,2 Irrm; trrr – время нарастания тока обратного восстановления (reverse recovery current rise time). Это достигается путем контролируемого уменьшения эффективности инжекции эмиттера и, следовательно, концентрации избыточных носителей в базе со стороны эмиттерного p+-n(p-i)-перехода. Для заданного значения trr это эквивалентно требованию уменьшения значений времени нарастания тока обратного восстановления trrr и, соответственно, пиковых значений обратного тока Irrm.
Другое условие "мягкости" восстановления – исключение эффекта срыва, т.е. резкого сброса обратного тока с чрезмерно высокой скоростью dIR/dt.
Один из способов улучшения режимов восстановления диодов и увеличения коэффициента "мягкости" – реализация так называемой эмиттерной концепции. В обычных p-i-n-диодах (рис.2) p-n-переход накапливает больше носителей заряда, чем n-n+-переход. Эмиттерная концепция предусматривает формирование обратного распределения носителей заряда: превышение концентрации носителей в n-n+-переходе по сравнению с p-n-переходом за счет уменьшения инжекции носителей p-эмиттером.
Существуют различные структуры эмиттеров, способствующих снижению инжекции. Например, "p-i-n/Шоттки диод", состоящий из последовательности р+-областей и областей c переходом Шоттки [1] (рис. 2а). Достоинства перехода Шоттки или подобных ему областей – малые значения падения прямого напряжения (0,5–0,6 В) при номинальном токе и отсутствие избыточного тока – проявляются лишь при обратном напряжении менее 600 В. При значениях обратного напряжения 1000 В и более достоинства использования областей Шоттки слабо ощутимы.
Сегодня разработки направлены на улучшение режима обратного восстановления путем уменьшения концентрации носителей эмиттера [2, 3]. Однако этот, казалось бы, простой метод снижения эффективности эмиттера приводит к увеличению падения прямого напряжения из-за увеличения сопротивления перехода металл-эмиттер. Кроме того, как показали статистические данные, число отказов, вызванных низкой концентрацией примеси эмиттера диодов и, следовательно, высоким сопротивлением p--области (160 Ом/кв), было больше, чем у диодов с высокой концентрацией примеси и меньшим сопротивлением p-области (60 Ом/кв). Но у диодов с низкой концентрацией примеси p-области процесс обратного восстановления улучшался. Таким образом, требования к технологии формирования БВД противоречивы: с одной стороны, необходимо обеспечить "мягкое" восстановление, с другой – динамическую устойчивость, и даже при ограничении "мягкого" восстановления выхода диодов из строя полностью избежать не удается.
Дальнейшего улучшения процесса обратного восстановления можно добиться за счет комбинации двух последних вариантов – создания ячеистой структуры с чередующимися p+- и p--областями. Правда, и этот метод формирования эмиттера не лишен недостатков. Наличие мелких (глубиной менее 1 мкм) слаболегированных областей (с концентрацией носителей менее 1016 см-3) приводит к снижению выхода годных диодов, так как при обратном смещении области мелкого перехода не всегда защищаются за счет перекрытия объемным зарядом смежных p+-областей, что обусловлено поверхностными дефектами кристалла, возникающими при проведении технологических операций.
Указанные недостатки можно устранить путем формирования глубокой (6–20 мкм) слаболегированной (менее 7·1015 см-3) области эмиттера и последующего легирования поверхностного слоя до концентрации 5·1018 см-3 для обеспечения надежного контакта эмиттера с металлом. В такой конструкции эмиттер действует так же, как и в ячеистой.
Были изготовлены и обследованы образцы БВД на ток 50 А с различной конструкцией эмиттера (см. таблицу). Для получения требуемого быстродействия кристаллы с диодами перед посадкой в корпус прошли операцию регулирования времени жизни неосновных носителей путем облучения протонами.
Наилучшими динамическими параметрами обладают диоды р+-Шоттки. Однако при температуре 125°С обратные токи этих диодов оказались максимальными в сравнении с другими типами диодов (до 4 мА), что не позволяет использовать их в качестве элементной базы управляемых твердотельных ключей постоянного тока. В то же время по выходу годных диоды с глубоким р--слоем эмиттера превосходили в полтора раза диоды с р+-Шоттки и ячеистой структурами эмиттера. Очевидно, такая структура эмиттера предпочтительна с точки зрения выполнения противоречивых требований к одновременному обеспечению "мягкого" восстановления обратного сопротивления и технологичности изготовления БВД.
Литература
1. Baliga, B.J. Analysis of a High Voltage Merged
p-i-n/Schottky (MPS).– Rectifier IEEE El. Dev. Letters,
1987, Edl., v.8, No.9.
2. Porst A. et al. Improvement of the Diode Characteristics using Emitter-Controlled Principles (EMCONDiode).– ISPSD, 1997, Weimar Proc., p.213–216.
3. Rahimo M.T.; Shammas N.Y.A. Optimisation of the Reverse Recovery Behavior of Fast Power Diodes Using Injection Efficiency and Lifetime Control Techniques.– EPE'97, Trondheim. Proc., v.2, p.99–10.
Отзывы читателей
