功率半導體器件Ch3功率二極管

(PowerDiodes)電子工程系2025·春12功率二極管封裝外形HighPowerRectifierDiodesZP整流管單管管芯FRD（快恢復二極管）單管管芯模塊FastSoftRecoveryDiode(FSRD)IGBT模塊FSRD32、PN的形成（動畫演示）3、PN結的單向導電性（動畫演示）基礎知識回顧1、半導體中的兩種載流子（動畫演示）4內容提要§3.1功率二極管分類與結構特點§3.2PIN二極管工作原理與I-V特性§3.3靜態(tài)和動態(tài)特性分析§3.4功率肖特基二極管§3.5應用要求與設計考慮§3.6特點與應用范圍

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§3.1功率二極管分類與結構特點功率二極管分類及其相互關系擴散二極管外延二極管1.根據(jù)制造工藝分:功率二極管2.根據(jù)用途來分:整流二極管（ZP）開關二極管(快、超快恢復二極管)(FRD)續(xù)流二極管(快速軟恢復二極管)(FSRD)功率二極管雙極—普通功率二極管(pin)單極—功率肖特基二極管(SBD)功率二極管3.根據(jù)工作機理分:56p+pnsubn+|NA-ND|/cm-3X/

mp+pnn+結構的雜質分布功率二極管基本結構：pnn+結構和p+pnn+結構A(陽極)p+nsubpn+K(陰極)特點：1.功率處理能力強；2.阻斷電壓高；3.正向壓降較低。適合作整流二極管用特點：1.擊穿電壓低；2.正向壓降很低；3.開關速度快。適合低壓快恢復二極管p+nn+sub|NA-ND|/cm-3X/

mpnn+結構的雜質分布外延工藝擴散工藝外延二極管擴散二極管A(陽極/Anode)p+nnsub+K(陰極/Cathode)§3.2

PIN二極管工作原理與I-V特性1.工作原理

+-正向導通反向恢復+-Ap+nnsub+KAp+nnsub+K-+反向截止Ap+nnsub+K(UAK<0)(UAK>0.7)(UAK<0)電導調制電流反向+少子復合穿通或雪崩擊穿78狀態(tài)條件特征反向截止陽-陰極加反向電壓較?。碪AK<UBD）截止,漏電流小陽-陰極加反向電壓過大（即UAK>UBD）（UBD為擊穿電壓

）pn結雪崩擊穿,或n基區(qū)穿通,電流急增正向恢復陽-陰極加正向電壓（即UAK>UTO）

（UTO為開啟電壓

）載流子向n基區(qū)注入,產生正向電流通態(tài)陽-陰極加正向電壓（即UAK>UTO）

n基區(qū)電導調制，傳導正向大電流反向恢復陽-陰極加反向電壓（即UAK<0）

反向電流抽取，載流子復合功率二極管工作條件與狀態(tài)特征91)當PIN二極管的UAK<0時，p+n結反偏，承擔反向電壓，功率二極管處于反向截止狀態(tài)，此時漏電流很小。當UAK繼續(xù)增加，直到大于功率二極管的擊穿電壓(UAK>UBD)時，功率二極管發(fā)生雪崩或穿通擊穿，漏電流急劇增加。2)當UAK>UTO時，p+陽極區(qū)向n基區(qū)注入空穴，n+陰極區(qū)向n基區(qū)注入電子，使n基區(qū)充滿了大量非平衡載流子。當其濃度

n=

p>>nn0(即大注入)時，n基區(qū)內發(fā)生電導調制效應，功率二極管處于正向導通狀態(tài)，此時通過器件的電流很大，兩端的壓降很低。3)當陽-陰極兩端加上反向電壓(UAK<0)，功率二極管進入反向恢復過程。于是導通狀態(tài)下存儲在n基區(qū)中的大量非平衡載流子不斷復合，外加反向電壓可加速n基區(qū)中非平衡載流子抽取，縮短反向恢復時間。直到n基區(qū)中非平衡載流子徹底消失完，功率二極管才完全截止，并承受外加反向電壓(UAK=UR)。PIN二極管的工作原理10與普通PN結二極管相同：當外加正向電壓(UAK>UTO)時，pn結導通，形成電流。當外加反向電壓(UAK<0)時，pn結截止，漏電流非常小。二極管具單向導電性。

2.I-V特性正向要求：電流盡量大，特性曲線盡量靠近縱軸，使正向壓降為最小;反向要求：反向擊穿電壓盡量高，特性曲線盡量靠近橫軸，漏電流小，且特性曲線要直，具有所謂“硬”特性。

二極管伏安特性開啟電壓UTO電路符號反向擊穿電壓UBD11主要特性參數(shù)1.IF(AV)：正向平均電流在規(guī)定的結溫和散熱條件下，允許流過的最大正弦半波電流的平均值。2.UF：正向壓降指在一定溫度下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時對應的管壓降。3.URRM：反向重復峰值電壓（額定電壓）所能重復施加的反向最高峰值電壓，對應的反向不重復峰值電壓URSM為1.11URRM(舊標準)或URRM+100V(新標準)。4.IRRM：反向漏電流（額定電壓下的電流）多芯片并聯(lián)時要求正向壓降為正溫度系數(shù)dUF/dT＞0指反向截止時的漏電流（高溫下漏電流會顯著增大）功率二極管陽-陰極電壓變化曲線URSMURWMURRM反向工作峰值電壓反向重復峰值電壓反向不重復峰值電壓針對不可重復的浪涌條件而設置選用二極管時，電壓選擇應取2倍的安全裕量。（額定電壓）12137.QRR：反向恢復電荷8.S：軟度因子9.IFSM：浪涌電流指功率二極管所能承受的最大的連續(xù)一個或幾個工頻周期的過電流。表征二極管抗短路沖擊的能力。5.trr：反向恢復時間指由導通到關斷時，從IF過零到IR下降到其最大值的1/4時的時間間隔。

指反向恢復期間的反向電流最大值。6.IRM：反向恢復峰值電流指反向恢復期間抽取的電荷量，定義為反向電流對時間的積分。指反向恢復時間內的下降時間與存儲時間的比值，是描述反向恢復特性軟度的專用參數(shù)。10.TJM：最高工作結溫在pn結不損壞的前提下，所能承受的最高平均溫度(125℃~175℃)。一、反向擊穿特性（UAK<0）

反向擊穿特性指反偏pn結的擊穿特性。UAK>UB→IR↑↑

二極管I-V特性擊穿電壓1.雪崩擊穿：

UAK↑→Ed↑→碰撞電離加劇反向擊穿特性有兩種型式：

雪崩倍增→n,p↑↑→IR↑↑2.熱擊穿：T3>T2>T1

→n,p↑§3.3靜態(tài)和動態(tài)特性分析當功耗(反向電流與反向電壓的乘積PJ=UR

IR)超過了pn結允許的耗散功率(

)，就會因熱量散發(fā)不出去而使pn結溫度升高,導致二極管過熱而燒毀。使用時要避免熱擊穿。14二、功率二極管耐壓結構及其電場分布

J1pnn+p+p+pnn+結構J1n+np+pnn+結構n區(qū)較寬ND較高n區(qū)較窄ND較低Wn

Ecr電場分布WD反向擊穿電壓臨界擊穿電場強度NPT型，Nonpunchthrough

PT型，punchthroughWn-電場分布EcrWn-反向擊穿電壓15課堂小測驗1.功率二極管的耐壓層主要是：A.p+陽極區(qū)B.n基區(qū)

C.n+陰極區(qū)

3.功率二極管導通時的狀態(tài)特征是載流子發(fā)生：A.電導調制效應B.

雪崩倍增

C.A和B4.功率二極管的擊穿模式為：A.雪崩擊穿 B.熱擊穿C.A和B5.關于功率二極管的耐壓結構下列描述正確的是：A.非穿通型耐壓（NPT）結構的電場強度分布為梯形B.穿通型耐壓（PT）結構的電場強度分布為三角形C.非穿通型與穿通型耐壓相等時,電場強度分布包圍的面積相同2.功率二極管在高反向電壓下時會發(fā)生：A.

pn結雪崩擊穿

B.

n基區(qū)穿通

C.A和B

1617UAK導通狀態(tài):UAK>0二、通態(tài)特性n(x)=p(x)nnpp載流子分布UFUpJUIUnJ正向壓降p+nn+wnx=0-wn/2wn/2正向壓降：

結壓降UpJ和UnJ可用J表示為：式中J為電流密度；K0為依賴于溫度和二極管摻雜濃度分布的常數(shù)，參數(shù)

隨電流密度而變化，kT/q為常數(shù)(常溫下為0.026V)。n基區(qū)的平均載流子濃度為式中：wn為n基區(qū)厚度；R為復合速率；

n(x)為n基區(qū)的載流子濃度分布；

H為大注入時的載流子壽命(

H=

no+

po)。穩(wěn)態(tài)時電流密度也可用pn結合nn+結處的非平衡載流子濃度表示為：1819體壓降UI可簡化為：UF依賴于電流密度J、大注載流子壽命

H及n基區(qū)厚度wn。正向壓降：n基區(qū)的體壓降UI為式中Rn,sp為n基區(qū)的擴展導通電阻/比導通電阻（

cm2）；雙極遷移率大注入下雙極擴散系數(shù)與載流子濃度有關20考慮到浪涌電流的限制，當電流密度J增加時，UF就會急劇增加。正向電流-電壓可表示為：其中K0,K1,K2為依賴溫度和二極管的結構參數(shù)，參數(shù)m的典型值在0.6~0.8之間。在實際使用中，產品數(shù)據(jù)單中通常會給出開啟電壓UTO和導通特性曲線的斜率電阻rT，可計算出在通態(tài)電流為IF時對應的正向壓降：降低正向壓降UF措施：1.從結構上考慮,減小n基區(qū)厚度,需與擊穿電壓折衷；2.從工藝上考慮，增加少子壽命,需與反向恢復時間折衷；3.從使用角度考慮，限制器件的電流密度和工作溫度。21二極管特性參數(shù)及其與溫度的關系零溫度系數(shù)點（ZTC）：高、低溫下導通特性曲線的交點

開啟電壓UTO是由3

IF(AV)/2與IF(AV)/2電流所確定的直線與橫軸交點電壓來確定，該直線的斜率即為導通電阻rT的倒數(shù)。高溫下開啟電壓會減小b)正向壓降與溫度關系UF(V)0J(A)

25℃125℃UTOUFJFUF有負溫度系數(shù)UF有正溫度系數(shù)ZTC點UF與T無關在ZTC點之下，UF具有負的溫度系數(shù)，容易引起熱集中；在ZTC點之上，UF具有正的溫度系數(shù)，有利于均溫均流。a)開啟電壓的定義4.5IF1.5IF223.高溫下二極管開啟電壓UTO會減小；額定電流在零溫度系數(shù)(ZTC)點所對應電流之上時，UF會隨溫度升高而增加。說明：功率二極管抗浪涌電流能力受結構參數(shù)和工作溫度限制。

整流二極管的IFSM(≥25IF)比FSRD的IFSM(約4.5IF)容量高。UF依賴于大注入載流子壽命

H或雙極擴散長度La及n基區(qū)厚度wn，當wn=2La時,UF可達到最?。粀n>2La時,UF就會急劇增加。功率二極管在正偏電壓下，從兩側的重摻雜區(qū)向中央的n基區(qū)注入載流子，對n基區(qū)有電導調制(△p=△n>>nn0≈ND)作用，所以可獲得較低的正向壓降UF。功率二極管在浪涌電流下的正向壓降會顯著增加，且增加的幅度與浪涌電流大小有關。

課堂思考題1.功率二極管正向電壓與什么因素有關？3.功率二極管在高溫下為什么會提前導通？4.為什么要求功率二極管的正向壓降具有正溫度系數(shù)？

5.為什么整流二極管承受浪涌電流的能力比FSRD高？

2.如何降低功率二極管的正向壓降？2324三、正、反向恢復特性t0i(t)

tIF0.1IFdi/dt0UFtfrUFM1.1UF0.1UF正向恢復時間tfr正向恢復(即開通)波形-pnn+pnn++-+(a)初期(b)末期正向恢復期間n基區(qū)的少子濃度分布決定UFM決定UF峰值壓降UFM反向恢復(即關斷)過程反向恢復時的電流與電壓曲線決定IRM決定S反向恢復時的載流子分布(a)中期(b)末期反向恢復期間n基區(qū)的少子濃度分布2526①存儲時間ts=t1-t0;②下降時間tf=t2-t1;p+n結開始恢復nn+結開始恢復正向壓降通態(tài)電流反向峰值電壓反向恢復峰值電流少子通過復合消失為主少子通過反向電流快速抽出為主t2由電流在0.9IRM與IRM/4處的連線在時間軸上的交點決定。反向恢復時間ts

tfS↑

恢復特性越軟軟度因子反向恢復時間trr↓

恢復越快反向恢復電荷Qrr=Q1+Q2反向電壓動態(tài)雪崩27反向恢復電荷Qrr定義為反向恢復期間反向電流對時間的積分，若用直線來表示電流波形，其反向恢復電荷為：Qrr近似等于正向導通時二極n基區(qū)的存儲電荷Qs，假設功率二極管有源區(qū)的面積為A，則聯(lián)立以上兩式，可得反向恢復時間為

τH為大注入載流子壽命,隨溫度升高而增大,導致trr增加。JF為正向電流密度；JRM為反向峰值電流密度?？s短trr措施：控制載流子壽命，需考慮與正向壓降折衷。28軟度因子S定義為下降時間tf與存儲時間ts的比值;

a)硬恢復特性b)硬恢復特性c)軟恢復特性

29功率二極管反向恢復期間載流子空穴的衰減過程軟恢復特性取決于其中載流子數(shù)的衰減速度，尤其在反向恢復末期，只有當nn+結附近的載流子濃度達到一定值時才能保證其軟度。也就是說,在反向恢復末期仍存在一定的載流子時才能實現(xiàn)真正的軟恢復。抽取快,t>t4后消失抽取慢,t>t4后仍未消失+-+-30載流子濃度分布及其對應的反向恢復特性曲線具體措施：結構改進（降低p+區(qū)濃度和厚度、增加n緩沖層、新結構

）少子壽命控制（摻金、鉑或銥；電子輻照、質子輔照）硬恢復軟恢復提高陰極側載流子濃度減低陽極側載流子濃度31PiNp+n+n-AKLLDApn+n-KFS-LLDpn+n-nAKP+Pp+n-p+n+nn+AKFCE-DCIBH-Dpn+n-AKpppppp+n+n-AKSPEED/SSD快速軟恢復二極管陽極與陰極的改進結構

控制陽極側載流子注入快速度，增加陰極側載流子注入軟恢復NEW參考課本p25-2732測試條件：di/dt=25A/us，ITM=1kA,VRM=100V;測試結果：IRM=62.5A,trr=4.78

s，Qrr=184.5

C電子輻照前、后FRD二極管反向恢復特性曲線的變化電子輻照前

p>100s少子壽命對FRD反向恢復特性曲線的影響電子輻照后

p3s質子輻照效果好慢而軟快而硬課堂小測驗1.描述功率二極管反向恢復特性的主要參數(shù)是：A.trr、Qrr

B.

IRM、URM

C.S

D.A、B和C3.改善功率二極管的反向恢復特性的措施描述正確的是：A.通過陽極結構可以改善軟度、陰極結構可以改善速度B.通過陽極結構可以改善速度、陰極結構可以改善軟度C.通過電子輻照可以改善速度和軟度

D.通過電子輻照可以改善速度，不能改善軟度

2.FSRD理想的載流子分布：A.陽極側載流子濃度低、陰極側載流子濃度低

B.

陽極側載流子濃度低、陰極側載流子濃度高C.陽極側載流子濃度高、陰極側載流子濃度低D.陽極側載流子濃度高、陰極側載流子濃度高33§3.4功率肖特基二極管功率SBD二極管分類1.普通功率SDB二極管

MPS結構(Mergedpin/Schottky)

3.pin/SBD復合結構—功率肖特基二極管:由SBD派生而來(PowerSchottkyBarrierDiode,PowerSBD)2.結勢壘控制肖特基二極管(JunctionBarriercontrolledSchottky,JBS）用途：在開關電路中用作超快恢復二極管34351.功率肖特基(SBD)二極管特點：閾值電壓UTO與金屬有關,約0.3V.通態(tài)壓降與J有關。在小J下，壓降?。辉诟逬下，壓降很高。由于接觸區(qū)邊緣處的空間電荷區(qū)彎曲引起電場集中，使其耐壓低于100V→終端技術。工作機理:當UAK>UTO時,SBD導通,多子參與導電，無電導調制—單極工作模式。開關速度快,只受MS接觸處勢壘電容充放電時間限制(向n區(qū)擴展)。用途：高頻，超快恢復二極管n+

subn

epiAK功率SBD結構及符號p+p+串聯(lián)電阻2.結勢壘控制二極管(JBS)p+36采用不同金屬形成的功率SBD

I-V特性曲線UTO為了降低通態(tài)功耗，可采用低勢壘高度的金屬

UTO↓；為了抑制高溫下的漏電流，需采用高勢壘金屬

IR↓。肖特基勢壘高度Ubi依賴于金屬的功函數(shù)。Ubi↓→UTO↓→UF↓；同時Ubi↓→IR↑，需折衷考慮。37

通態(tài)特性

功率SBD特征導通電阻為n漂移區(qū)電阻RD與UBD的關系各電阻均為特征電阻,

單位為

cm2，UBD的單位為V。功率SBD的正向壓降UF可表示為UFS和體壓降之和：可見，功率SBD的UF與勢壘高度、溫度、結構參數(shù)及電流密度有關。并且，正向壓降具有負的溫度系數(shù)。由熱發(fā)射理論知，流過SBD電流UFS為肖特基結的正向壓降；38當功率SBD加上反偏壓時,由n漂移區(qū)來承擔反向電壓，峰值電場位于金-半接觸處。由于金屬層不承擔電壓，所以功率SBD的反向阻斷能力可以用突變pn結來處理。假設為平行平面結的擊穿，則n漂移區(qū)的摻雜濃度ND和厚度WD與擊穿電壓UBR的關系分別為SBD漏電流:可見，漏電流與溫度、勢壘高度的變化等有關；漏電流JR隨溫度升高會急劇增加，隨勢壘高度降低增加。

反向截止特性課堂思考題1.功率SBD正向壓降與什么因素有關？3.為什么功率SBD的正向壓降具有負的溫度系數(shù)？4.為什么功率SBD的漏電流隨溫度升高而增加？

5.為什么功率SBD的耐壓較低而速度很快？

2.如何降低功率SBD的正向壓降？392.pin/肖特基復合MPS結構(Mergedpin/Schottky并聯(lián))

1)當MPS反向工作時，pn結的空間電荷區(qū)相連，將肖特基結屏蔽，使其不承受外加反向電壓；pinSBDpinSBD工作原理:2)當MPS正向工作時，當UA>0.3V時，肖特基勢壘開通；當UA>0.6V時，pn結開通，有空穴注入，產生電導調制效應，于是正向壓降減小。UAK↑

MPS由肖特基結控制的單極模式轉向由pn結控制的雙極模式40電子流電子流空穴流空穴流空穴流40I-V特性曲線MPS與SBD、pin二極管的特性比較MPS的導通特性介于pin二極管與SBD之間；在低電流密度下MPS的UF低，由SBD決定；在高電流密度下MPS的UF較高，由pin二極管決定。MPS的反向恢復特性比pin二極管更好。41反向恢復峰值電流IRM(A)正向壓降UF(V)pinMPS0在J<0.1A/cm2下SBD有更低的UF采用鈦、鎳、金、鉑等金屬制作肖特基接觸1）4H-SiC

SBD結構與硅SBD結構相同，外延工藝2）4H-SiCSBD的工作原理與硅SBD相同：單極工作模式4.4H-SiCSBD3）4H-SiCSBD的特性：4H-SiCSBD是2kV~3kV、8~10kHz應用場合首選器件在J<1kA/cm2下4H-SiCSBD有更低的UF421）4H-SiC

MPS結構與硅MPS結構相同：外延+硼離子注入工藝，p+區(qū)比4H-SiCJBS的p+區(qū)更深2）4H-SiCMPS的工作原理與硅MPS相同：單極+雙極—雙模式工作5.4H-SiCMPS3）4H-SiCMPS的特性：JA=200A/cm2，低壓4H-SiCMPS工作在JBS區(qū)，高壓4H-SiCMPS工作在MPS區(qū)1.2kV12kV10~50A/cm2>1kA/cm2200A/cm243（1）整流管：要求：高電壓、大電流、低損耗；

選擇p+pn-n+結構（2）快恢復二極管：要求：反向恢復時間短（幾百ns~5

s）、壓降低低壓時

選pnn+外延結構、高壓時

選pp-n-n+擴散結構（3）快恢復軟恢復二極管：要求：反向恢復時間短，軟度大，壓降低。低壓時

選擇pn-nn+結構（4層）高壓時

選擇pp-n-nn+結構（5層）1.功率二極管的應用要求§3.5應用要求與設計考慮4445（1）反向擊穿特性（2）正向導通特性（3）反向恢復特性反向擊穿電壓由雪崩擊穿電壓決定，與n基區(qū)的濃度(或電阻率)和厚度有關;

n-↑/ND↓,wn↑→UBD↑

增加n基區(qū)寬度、提高電阻率及其均勻性→反向擊穿電壓↑;增加空間電荷區(qū)載流子的產生壽命

SC↑→反向漏電流↓。正向壓降與n基區(qū)的厚度及其大注入壽命

H有關;

(wn

/

2La)↓→UF↓(與UBD矛盾);

H=

n+

p↑→UF↓(與toff矛盾)

控制n基區(qū)寬度，提高少子壽命，同時要降低接觸壓降。反向恢復時間與n基區(qū)的厚度及其少子壽命

p有關;

wn↓→trr↓但UBD↓,Enn+↑(與阻斷特性、抗動態(tài)雪崩能力矛盾);

p↓→trr↓(與UF要求矛盾)

降低陽極中性區(qū)的少子壽命，增加反向抽取電流。2.各項特性對結構參數(shù)的制約關系46對NPT型耐壓結構對PT型耐壓結構對PT型耐壓結構，考慮nn+結電場及終端的影響,n基區(qū)厚度：擊穿電壓UBD與n基區(qū)厚度wn之間的關系當厚度Wn相同時，采用PT結構獲得擊穿電壓高。對1200V的器件，采用NPT和PT耐壓結構，因n基區(qū)厚度不同，導致其UF相差約0.8V；對高壓器件,UF差別將會更大。依據(jù)UBD估算n基區(qū)厚度3.設計考慮47（1）高壓整流二極管的設計選PT型耐壓結構Wn電場分布Ecr反向擊穿電壓主要考慮擊穿電壓和正向壓降的折衷：陽極區(qū)采用重摻雜、深結，以提高注入效率；減薄n基區(qū)的厚度；保證高的載流子壽命。J1n+np+p+pnn+結構p48wn

Ecr反向擊穿電壓（2）快恢復二極管(FRD)的設計n+nppnn+結構選PT型耐壓結構在滿足擊穿電壓的前提下，主要考慮正向壓降和反向恢復時間的折衷：陽極區(qū)采用中等摻雜、淺結，以降低注入效率；減薄n基區(qū)的厚度、適當增加n基區(qū)的濃度。降低nn+結處峰值電場強度Enn+Enn+49wn

Ecr反向擊穿電壓（3）快速軟恢復二極管(FSRD)設計n-ppn-nn+結構選PT型耐壓結構在滿足擊穿電壓的前提下，主要考慮正向壓降和反向恢復速度、軟度的折衷：p陽極區(qū)采用中等摻雜、淺結以降低注入效率；減薄n基區(qū)的厚度、適當增加n基區(qū)的濃度。增加n緩沖層，提高恢復末期n-n結處載流子濃度；降低高低nn+結處峰值電場強度Enn+。Enn+na)正斜角b)負斜角

整流二極管常用斜角臺面終端結構

a)場限環(huán)結構

b)場限環(huán)與場板復合結構

快恢復二極管常用的平面終端結構

結終端設計考慮Ws平面終端臺面終端UBD為有源區(qū)擊穿電壓UB