高压深p+调整区FCE二极管动态特性的研究

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随着IGBT模块的快速发展,对与之反并联的续流二极管(FWD)提出了更高的要求。一些过应力条件,如高的电流上升率di/dt,大的寄生电感L都会导致续流二极管在反向恢复期间发生电流阶跃和电压过冲。因此,要求续流二极管必须具备快速且软的恢复的能力。  本文研究了一种具有深p+调整区的场电荷抽取(Field Charge Extraction,简称FCE)二极管结构,以3.3kV阻断电压为例,利用了ISE-TCAD仿真软件分析了它的静态特性与动态特性,重点研究了p+调整区的注入机理,以及过应力下的动态雪崩特性。最后分析了n缓冲层和p+调整区等参数对反向恢复特性的影响,并提取出优化的结构参数,主要研究内容如下:  第一,简单介绍了深p+调整区FCE二极管与普通FCE二极管的不同之处,建立了p+调整区的导通条件,并研究了影响反向恢复期间空穴注入效率的关键因素是p+调整区的宽度wp+,n缓冲层浓度Nnb,以及反向恢复电流J(t)。在普通FSRD动态雪崩模型的基础上,建立了深p+调整区FCE二极管的动态雪崩简化模型,以及阴极侧的电场梯度解析模型,详细分析了动态雪崩过程中载流子的产生以及抽取过程,得出深p+调整区FCE二极管的阴极侧不会发生动态雪崩,极大的提高了抗动态雪崩能力。  第二,研究了反向恢复机理与特性,详细分析了p+调整区的注入过程,结果表明,深p+调整区FCE的空穴注入效率更高,可以显著改善二极管的反向恢复特性。  第三,研究了过应力条件下的动态雪崩特性。结果表明,深p+调整区FCE二极管的阴极侧负电场梯度为0,反向恢复末期nn-结处存在等离子体层,维持了拖尾电流,抑制了电压过冲,显著提高了抗动态雪崩能力。因此,仿真结果与理论推导相吻合。  最后,分析了n缓冲层与p+调整区等参数对反向恢复特性的影响,并提取出3.3kV的器件结构优化参数。结果表明,当p+调整区的宽度wp+为70μm,n缓冲层浓度Nnb为1.5×1016cm-3,以及p+调整区浓度为1.0×1019cm-3时,可以获得良好的反向恢复特性,抗动态雪崩能力得到较大提高。  本文的研究结果对高压快速软恢复二极管的设计与开发有一定的参考价值。
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