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.
Выпуск #6/2006В.Громов, А.Лебедев, В.Потапчук, П.Ястребов. Конструктивнотехнологические особенности эмиттера быстро восстанавливающихся диодов с мягким восстановлением
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.