毕业设计（论文）200A1200V软恢复快速二极管设计.doc

200A/1200V软恢复快速二极管设计200A/1200V fast and soft recovery switching power diode design 毕业设计（论文）指导教师审阅意见题目：200A/1200V软恢复快速二极管设计评语： 指导教师： 毕业设计（论文）评阅教师审阅意见题目：200A/1200V软恢复快速二极管设计评语： 评阅教师： 毕业设计（论文）答辩成绩评定专业毕业设计（论文）第 答辩委员会于 年 月 日审定了 班级 学生的毕业设计（论文）。设计（论文）题目： 设计（论文）说明书共 页，设计图纸 张。毕业设计（论文）答辩委员会意见： 成绩： 专业毕业设计（论文）答辩委员会主任委员 ： 摘要软恢复快速功率二极管广泛应用于电力电子电路中，采用MPS结构的软恢复快速二极管即克服了传统PIN二极管开关速度相应较低的缺点,又解决了肖特基二极管较低击穿电压的缺陷，它具有速度快、击穿电压高的、漏电流小、软恢复特性好的优点。目前，市场上运用的软恢复快速二极管大都为采用掺杂重金属或通过电子辐照的PIN二极管，因此对MPS二极管的设计和研究具有很重要的现实意义。本课题对MPS二极管的各个参数进行了设计和研究，利用半导体器件模拟软件（Medici）对设计的结构进行仿真，并优化了器件的外延层掺杂浓度和厚度、肖特基接触和PN结网格宽度、PN结浓度和掺杂浓度等主要的结构参数。本文首先介绍了大功率器件的应用和发展情况，然后根据我国现状，说明其在国民经济中的实用价值，再引出MPS二极管在应用时的相对优势、进而阐述它的结构特点、工作原理和相关的特性。然后对各个参数并对其进行设计，考虑到投片实验的昂贵性和设备环境的限制，最后利用软件Medici对所设计的MPS二极管结构进行了仿真，并对结果进行理论分析，对不能达到预期目标的提出改进措施，再重复设计、进行参数的优化。最后的仿真结果表明所设计的结构满足了设计要求。关键词：MPS；Diode；MEDICI仿真；快速；软恢复AbstractFast and soft restoration of electrical power diode widely used in electronic circuits, using MPS structure of the soft recovery diode that is not only quickly overcome the traditional PIN diode switching speed corresponding lower shortcomings, but also solved the low breakdown voltage Schottky diodes defects, It has such good advantage as fast, high breakdown voltage, low leakage current, soft recovery characteristics. At present, the market quickly resumed the use of soft diodes used mostly for heavy metal doping or through electronic irradiation of the PIN diode, so the MPS diode design and research have a very important practical significance. MPS diode on the subject of various parameters of the design and research, using semiconductor device simulation software (Medici) to design the structure of simulation, and optimization of the device's extension of the doping concentration and thickness, Schottky contacts and networking PN Grid width, PN junction doping concentration and concentration of major structural parameters. This paper introduced the first high-power devices use and development of the situation, then according to China's status quo, in the national economy on its practical value, and then leads to MPS diodes in the application of the comparative advantages, further elaborated its structural characteristics, principle and relevant features. Then the various parameters and its design, taking into account the experimental films for the expensive equipment and environmental constraints, the last of the Medici use software designed by the MPS diode structure of the simulation, and the results of theoretical analyses, can not achieve the desired Objectives of the proposed improvement measures, to repeat the design and the optimization of parameters.Finally the simulation results show that the design of the structure to meet the design requirements.Key words: MPS；Diode；MEDICI Simulation；Fast；Soft-recovery目 录摘要IABSTRACTII第1章 引言1第2章 软恢复快速二极管的结构和工作原理42.1软恢复快速二极管发展概况42.2 软恢复快速二极管的结构和类型62.2.1 PIN结构软恢复快速二极管62.2.2肖特基结构软恢复快速二极管82.2.3 MPS结构软恢复快速二极管102.3 MPS二极管的工作原理11第3章 MPS二极管的结构设计143.1设计思想143.2 MPS二极管的性能参数143.2.1反向峰值电压143.2.2反向漏电流143.2.3正向导通压降153.2.4反向恢复时间153.2.5 软度因子163.3 MPS二极管结构参数的设计163.3.1 P区的设计173.3.2 N基区的设计173.3.3其余纵向参数设计193.3.4横向设计19第4章 仿真软件MEDICI简介214.1基本功能和特点214.2 Medici工作原理21第5章 MPS二极管的仿真分析235.1 反向阻断特性235.1.1反向击穿电压235.1.2反向漏电流245.2正向导通特性265.2.1正向开启电压265.2.1正向导通压降285.3 反向恢复特性295.3.1反向恢复时间295.3.2 软度因子的测算30第6章 MPS二极管的表面造型与保护31第7章 结论33参考文献34附录A反向阻断特性仿真程序35附录B正向导通特性仿真程序37附录C反向恢复特性仿真程序39致谢40第1章 引言1956年可控硅整流器(英文缩写SCR，泛称晶闸管)的发明并于次年由GE公司推出商品，是半导体应用由弱电跨入强电的里程碑。其后平面工艺和外延技术的发明，又使半导体器件向两大分支发展：一支以晶体管或其它半导体器件组成愈来愈小的集成电路，为适应微型化发展，形成了以半导体集成电路为主体的新兴学科一微电子学；另一分支则是以晶闸管为主体的功率(电力)半导体分立器件，向愈来愈大的功率方向发展，为解决电力电子与控制技术形成了以静态功率变换和电子控制为主要内容的新兴边缘学科电力电子学。1973年，Newell在第四届硅电力电子学专家会议（PESC）上提出，电力电子学是介于电器工程三大领域：电力、电子与控制之间的边缘学科，并用所谓“倒三角”定义来说明。这一定义已被国际上所公认。根据“倒三角”定义，电力电子学就是已晶闸管为主体的功率（电力）半导体器件为核心部件，跨于电力、电子和控制三大领域的一门边缘学科。作为边缘学科的电力电子学，它所包含的内容及其广泛，既有半导体器件问题，也有电路、控制、装置即器件的应用问题。尽管它们都有各自的理论装置、系统和发展方向，但它们之间又是相互关联的。电力半导体器件的发展，特别是新型器件的出现和采用，都会以自己的特长占有不同的应用领域，使应用面不断拓宽和扩大；反过来，电力电子技术的发展对器件提出更高的要求，又会促进器件的性能的提高和新器件的发展。因为用什么器件的串、并联技术，用什么样的电路来实现装置设备，反映了器件与线路之间的关系。新的器件能促进电路达到新的水平，而新的电路则可祢补器件性能之不足。为了使电路达到更完善的水平，还必须提高控制水平；这就要求采用新的控制方式和使用新的工具。但是，器件、电路及系统控制的最终目的是要完成一个实用的电力电子装置。由此可见，电力电子学把器件、装置、控制系统紧密地联系在一起，它们相辅相戍，形成一个具有内在系统性的有机体。作为一门应用科学，它广泛应用于科学研究，国民经济中的电力、交通、通讯、冶金、机械、化工、仪器仪表及国防工业等部门，并逐步推广到家用电器等应用领域。特别是电力电子技术作为节能最富有成效的技术之一，已成为发展快、生命力强的技术之一。电力电子技术作为国民经济各项高技术发展的基础技术，为大幅度节能， 机电一体化，提高生产效能提供主要支撑技术，而电力电子技术的核心和基础则是电力半导体器件。电力电子技术发展的快慢，在很大程度上取决于电力电子器件的发展水平。器件容量的扩大和结构原理的更新，特别是新型器件的出现都是各种应用技术发展的要求和半导体器件理论、半导体材抖、半导体工艺发展的结果。近几十年来，新技术、新工艺方面就出现了中子姬变掺杂，电子辐照、辐照的寿命控制技术；器件的CAD技术；PN结表面造型及终端技术；器件的高可靠技术等；以及由微电子技术引入的精细加工技术，等等。电力半导体器件的基本理论，从电流模式发展到电荷控制模式；出现了短路阴极理论；表面理论；GTO晶闸管从一维关断理论发展为二维关断模式，引入了阳极短路，隐埋门极等新结构；GTR的达林顿结构形式引伸到各种复合器件，并成为MOS一双极型复合器件的基本结构形式；特别是微电子技求与电力器件制造技术相结合所产生的集成功率器件，使得以往不被人们重视的电力半导体一跃而成为高科技发展之列。此外，器件的封装已由压焊发展到压接式和全压接结构。总之，电力半导体已在材料、器件基本理论、设计原理、制造技术等诸方面形成了自己的体系和发展方向，成为半导体的一大独立分支。50年代第一个晶闸管和双极晶体管成为商品，标志着固态电力电子技术的开始。此后，双极型半控器件(如:晶闸管、光控晶闸管、逆导晶闸管等)和全控型器件(门极可关断晶闸管、电力晶体管、静电感应晶闸管等)相继出现，品类繁多，且其电压、电流等额定值得到稳定提高。特别是70年代NTD硅单晶的试制成功，双扩散工艺的成熟以及双正角造型技术的使用，使器件的电压、电流、频率等额定值达到很高水平。虽然这些器件已在电力电子技术领域得到广泛的应用，但由于SCR , LTT等半控器件存在着不能用门极控制其关断，因而需要繁锁、复杂的辅助关断电路；又由于GTO，GTR等全控器件存在着需要较大的控制电流，因而需要由分立器件组成的庞大门极控制电路等原因，使这些器件的发展和使用受到很大的影响。随着高性能、高频开关器件和IGBT、MCT的发展，开发高性能、高频电力整流管已成为一个非常重要和迫切的任务。众所周知，电力整流管是电力半导体器件中结构最简单、用途最广泛的一种器件。通常应用的有普通整流二极管、肖特基二极管、PIN二极管、MPS二极管。它们相互比较各有其特点：普通整流管具有较小的漏电流，较高的通态电压降（1.0-1.8）和几十微秒的反向恢复时间；肖特基整流管具有较低的通态压降（0.30.6），较大的的漏电流，反向恢复时间几乎为零；而PIN快恢复整流管具有较快的反向恢复时间（几百ns2s），但其通态压降很高（1.64.0）。为了满足快速开关器件应用配套需要，人们利用大规模集成电路工艺和精细的镶嵌结构，将肖特基整流管和PIN整流管的优点于一体，已研制出MPS(Merged PIN/Schottky diode)结构的电力整流管，它不仅具有较高的反向阻断电压，而且其通态压降很低，反向恢复时间很短，反向恢复峰值电流很小，而且具有软的反向恢复特性。MPS结构的电力整流管的通态压降约为1V，反向恢复时间是PIN整流管的1/2，反向恢复峰值电流是PIN整流管的1/3。若以MPS整流管代替PIN整流管与IGBT配合使用，可使系统的总功耗降低1/2，大大改善了系统的性能。鉴于上述原因，决定采用MPS结构来完成本课题所要求的软恢复快速二极管设计，所以本设计具有重要的意义。本文主要针对MPS快速软恢复二极管的结构进行设计，并对它的特性进行仿真研究，完成的工作包括以下内容：（1） 对MPS二极管的工作原理和结构进行分析。（2） 对它的结构参数进行了设计，以满足预期目标。（3） 运用软件Medici进行了器件的模拟仿真，并对结果进行了分析，改进了预先设计的参数。（4） 初步探讨了影响软度因子的因素。第2章 MPS二极管结构和性能2.1 软恢复快速二极管的发展概况随着电力电子的发展,各种变频电路、斩波电路的应用不断扩大，这些电力电子电路中的主回路不论是采用换流关断的晶闸管，还是采用有自关断能力的新型电力电子器件，如GTO、MCT、IGBT等，都需要一个与之并联的快速二极管，以通过负载中的无功电流，减小电容的充电时间，同时会因负载电流瞬时反向而感应产生高电压。由于这些电力电子器件的频率和性能不断提高，为了与其关断相匹配，该二极管必需有具有快速开通和高速判断的能力，即具有短的反向恢复时间T，较小的反向恢复电流和软恢复特性。在高压、大电流的电路中，传统的PIN二极管具有较好 的反射耐压性能，且正向时它可以在很低的电压下就会导通较大的电流，呈现低阻状态。然而，下身大注入的少数载流子的存在使得少子寿命较长，二极管的开关速度相应较低，为提高其开关速度，可以采用掺杂重金属杂质和通过电子辐照的办法减小少子寿命，但这又会不同程度的造成二极管的硬功夫恢复特性，在电路中引起较高的感应电压，对整个电路的正常工作产生重要影响。因而，开发高频高压快速软恢复大功率二极管已经成为一个非常重要和迫切的任务，具有重要的现实意义。目前，国内快速二极管的水平已经达到3000A/4500V，5us,但是各整流器生产单位在减小二极管的反向恢复时间的同时，一般并不注意提高其软恢复性能。现在这些二极管一般采用电子辐照控制少子寿命，其软度因子在0.35左右，特性很硬。国内快速软恢复二极管的研制现状如下表所示：表2-1国内快速软恢复二极管的研制现状生 产厂 家型 号正向平均电流反向重复峰值电压反向恢复时间正向峰值电压反向重复峰值电流阜新晶体管有限责任公司ZK500500300300032.050ZK10001000300300052.080ZK15001500300300052.050ZK20002000300300052.080铁道部永济电机半导体分厂ZK600600100045002102.6ZK800800100045002102.6ZK10001000100045002102.6北京整流器厂ZK20060060020002101.8530ZK30090060020004101.7530ZK400100060020004101.740ZK500120080020004152.150铁道部株洲电力机车研究所半导体厂ZK6 40080040014001.02.050ZK6 40080040014002.01.550ZK6 400150040025002.02.2550ZK6 400150040014001.02.0550ZK6 400150040025003.01.6550国际上快速二极管的水平已经达到2500A/3000V，300ns,软度因子较小。采用外延工艺制作的快速恢复二极管的软度因子较大（0.7），但它必须采用小方片串并联的方式使用，以达到大电流、高电压的目的。这样做不仅增加了工艺的复杂性，而且使产品的可靠性变差。我国的外延工艺水平较低，沿柿饼在研究阶段，成品率较低，相对成本较高；而采用电力半导体常规工艺制作的快速恢复二极管的软度因子较小。国外快速软恢复二极管的研制现状如下表所示：表2-2国外快速软恢复二极管的研制现状国别型 号正向平均电流反向重复峰值电压正向峰值电压反向恢复时间美国R722-0550025002.252R7S2-0990014002.051RT22R08EJ120012001.62.0英国DSF2013SD26160026001.85.8DSF1114SM3681036002.36.5SM21CXC224110021001.56.0401PDA18-13040018002.03.0德国53PJA12060012002.03.5FDF10828-25D90025001.55.5SKN4M1600/24100024003.04意大利ARF32280025001.754ARF91280016001.1542.2软恢复快速二极管的结构和类型一般将通过电流大于1A二极管称为功率二极管。软恢复快速二极管是一种反向恢复时间短、恢复电荷量较小、可以工作在400HZ以上频率的整流管，其类型有PIN结构、肖特基结构和MPS结构的，它们具有各自特点。2.2.1PIN结构软恢复快速二极管PIN二极管是由P型和N型材料之间夹一本征层而构成的结型二极管。在低频时，它具有与PN结相似的伏安特性，不仅能承受很高的反向电压，而且具有小的正向电压降。理想的PIN二极管I层材料应是本征型的，但是很难做到。实际的I层可近似认为低掺杂的高阻层。因此，功率二极管都做成重掺杂的P+、N+层之间夹一层较厚的低掺杂的P型或N型层而构成：P+-N-N+或P+-P-N+结构。PIN二极管是由重掺杂的P型区和N型区之间夹一接近本征型的高电阻率i层构成，其一般结构，其一般结构如图22所示。I层厚度由反向耐压和正向电流决定。在热平衡时的能带图、载流子分布、空间电荷及电场分布22所示。图21 PIN二极管 的结构、能带、载流子分布空间电荷机电场分布与P-N结类似，在PI结和NI结也会形成空间电荷区。因此I层可分为三个区域：（1）x2到x3之间的正电荷区；（2）x3到x4的中性区；（3）x4到x5之间的负电荷区。中性I区相当一个长为（x4-x3）的电阻。因而PIN二极管好似一个PI二极管和一个电阻及一个NI二极管三者的串联组合。PIN二极管的正向压降可视为三步分组成：PI结和NI结的结压降以及I区的体压降。设外加正向压降为VF则 (2-1)为降低PIN二极管的正向压降而降低它的功耗，主要有以下措施：PIN二极管常以DLa或DLa划分为“长”或“短”结构。DLa为两者的过渡标志。由于La随注入载流子浓度增加而下降，因而在低电流密度下的短二极管在高电流密度时会变成等效的“长”结构二极管，这样，器件在浪涌电流（可高达103A/cm2）下会遭受严重损害。因此，在器件设计时，应尽可能地使d/La在高电流密度时保持较小的值。这样，即使电流密度超过103A/cm2时，器件仍有如一个短结构二极管一样。同时，器件又能保持具有高压结构的所谓“长”结构二极管的特点。显然，提高元件的过载能力，必须有高的基区少子寿命，这和为减小大电流密度下的正向压降的要求是一致的。因此。提高少子寿命是提高功率整流管（及其他电力器件）过载能力的关键措施之一。提高少子寿命，有利于增强基区电导调制作用，降低正向压降和提高过载能力，但是，正如前面所分析的那样，不能无限制地增加少子寿命，否则会引起结压降上升，甚至造成正向压降增加，这在器件设计时需要加以注意。从正向电流经过二极管的途径可知，管子的正向压降除了基区体压降VM，结压降VF=(VPI+VNI)外，还应包括两端的接触压降VB，金属与半导体的接触，因为功函数的不同，也会形成空间电荷区、自建电场和势垒。可见这两者之间的接触并不一定形成纯电阻型接触。接触电阻大，会造成压降和增加功率损耗；同时在接触处产生的整流效应和非平衡少子注入，会破坏元件本身的性能，所以要求金属与半导体之间的接触应是低电阻的欧姆接触。二极管反向恢复过程中，载流子的变化如图27所示。可见，尽管PIN二极管的两个结都已承受反向电压，但反向电流并未衰减到最小值。I区中的非平衡载流子并未完全消失。剩余的非平衡载流子在反向电压增长过程中，一方面从两端流出，一方面不断通过复合而消失。直到t=t3，二极管反向电流减小到反向饱和电流，近似承受反向电压为止。图22 PIN二极管反向恢复过程载流子的分布要减小反向恢复时间，就要减小正向时的储存电荷和提高反向时对储存电荷的扫出速度、减小正向时的储存电荷势必增加正向电阻，所以主要是提高储存电荷消失的速度来缩短关断时间。其途径主要有两个方面：一是降低少子寿命，加速载流子的复合；一是加大反向电流的抽取作用。2.2.2 肖特基结构软恢复快速二极管典型的肖特基整流管的结构，如图222所示。N层基片外延N层，N层上淀积 图23 肖特基整流管的结构示意图一层金属。通常的肖特是整流管，其N外延层的掺杂剂是砷，阻挡层金属是相。通过调整结构参数，能够获得台适的肖特基势垒高度。N层的作用是减小通态的体电阻，其掺杂浓度比N层的高。N层是为形成良好的欧姆接触而设置的。图222中，在阻挡层的边缘，SiO2绝缘层和金属层重叠着，以消除边部电场集中，提高反向耐压。它具有以下电参数的特色：(1) 反问快复时间短 有人曾做过对比，在相同的电路情况下，结型整流管的反向恢复时间大约是肖特基整流管的150倍。例如，肖特基整流管的反向恢复时间大约是75ns，而快速整流管的反向恢复时间却有125s之多。由此可见，在必须提高开关速度的整流电路中，肖特基整流管是最理想的。结型整流管反向恢复时间长的原因，主要是消除正偏时注入的储存电荷花费时间。而肖特基整流管则不存在储存电荷。(2) 功率损耗小图2-4肖特基I-V特性曲线从上图可以看出：它的正向特性与快速整流管的相比，有开启电压低，正向压降小的特点图中显示出相应于100A左右的正向压降只有0.65V。比同等级别的快速硅整流管的低0.3V左右。因此，它的正向损耗小。开关损耗小，开关损耗是整流管从一个静态转变到另一个静态时所产生的损耗。显然，反向恢复时间越短，开关损耗越小。反向恢复时间受di/dt及dv/dt影响小，因为在高速整流器中整流管必须很快地导通和阻断，所以整流管必须具有一 定的承受di/dt及dv/dt的能力。对于快速整流管，储存电荷随di/dt增大而增大，反向恢复期出现的电荷量受di/dt影响可增大10倍左右。在相同的电路情况下，肖特基整流管因不存在储存电荷问题，反向恢复时间受di/dt及dv/dt的影响是很小的。综上所述，如果应用领域不要求有较宽的工作电压范围，而要求快速、高效率，则肖特基整流管是理想的整流器件。2.2.3 MPS结构软恢复快速二极管对功率二极管而言,PIN具有很好的反向特性,而SBD具有较好的正向特性。如果有一种器件能够同时具备PIN和SBD的优点,即既有SBD的小开启电压、大导通电流、快开关速度,又具有PIN的低漏电流、高阻断电压,这将是最好的选择。为了改善高压硅开关管的正向和反向特性,Baliga提出了MPS结构,其基本结构示意图如图2-5所示。图25 MPS二极管结构示意图MPS器件是深注入的交叉指状P+栅格与肖特基结相间隔的网状结构。MPS开关管的主要结是PIN二极管区,PN结通过其耗尽层的宽度和两PN结之间的间隙来影响肖特基的导电沟道。当MPS反偏时,PN结形成的耗尽区将会向沟道区扩散,在一定反偏电压下,耗尽区就会连通,从而在沟道区形成一个势垒,使耗尽层随着反向偏压的增加向N+衬底方向扩展。这个耗尽区将肖特基界面屏蔽于高场之外,避免了肖特基势垒降低效应,使反向漏电流大大减小,此时,MPS反向特性接近PN结。当MPS正偏时,PN结的耗尽层宽度比两PN结之间的距离小得多,在肖特基区保留了一个n型导电沟道,肖特基处于正向导通状态,特性与SBD的正向电学特性相似,只是电流密度由于P型区的原因而略小。P+阳极区注入空穴到漂移区,通过导电调制也会引起体电阻的大大减少。另外,采用MPS结构,可以灵活地选择势垒低的金属作为肖特基接触,而不用担心反向漏电流会增加。所以,MPS结构综合了PN结结构和肖特基结构的优点,具有很好的正向和反向特性。还可以通过调整肖特基和PN结的面积比来调整其性能,例如,当重点要求好的正向特性时,可以通过增加肖特基的面积比来实现;而当更注重反向特性时,则可以通过增加PN结的面积比来实现。2.3 MPS快速二极管的工作原理 图2-6MPS二极管横截面示意图上图相当于具有低电阻触点的嵌入式P型掺杂岛的肖特基二极管。而它的基本设计单元为以下简化的几何模型：图2-7MPS二极管元胞示意图1938年肖特基提出了半导体的接触整流理论：（1）势垒高度远大于热电势；(2)计入耗尽区内电子碰撞的效应；（3）在x=0（金属半导体接触面）和X=W（耗尽区内边界面）处的载流子浓度不受电流流动的影响（即这些载流子浓度为平衡值）；（4）半导体的杂质浓度是非简并的。 同时给出载流子浓度为 (2-1) (2-2) (2-3)BALIGA在1987年对MPS进行了分析, 他认为在正偏的时候, 首先是肖特基势垒开通, 因而有较低的开通电压, 随着电压升高, 结开通, 向衬底注人远超过衬底浓度的空穴, 引起衬底的电阻降低, 导致正偏电流的增大, 这无疑有着很大的指导意义器件中的载流子浓度对器件的工作有很大的影响，MPS中，在P+区向沟道区注入的大量少数载流子的影响下，沟道区和肖特基垒区载流子浓度的变化导致了器件工作方式的变化。在正偏偏置电压作用下, 对于MPS, 其主要特点是由区向沟道区注人大量空穴在不同的正偏条件下, 其载流子的浓度分布变化为从加上正偏电压开始, 空穴就从区开始注入，在肖特基未开通时, 在漂移区内电子的浓度梯度近似为零，在肖特基开通以后, 漂移区和沟道区的少数载流子浓度梯度不再为零, 这是肖特基开始起作用的结果。随着电压的升高, 当PN结开通以后, 由P+区向沟道区注入的空穴在数值上超过衬底杂质浓度, 此时出现混合整流的特性同时多数载流子在电场和阴极高低结的作用下产生积累, 在数量上与空穴几乎相等, 此时电导调制区形成随着电压的进一步升高, 注人的空穴数量不断增大, 积累的电子浓度也不断增大,电导调制区开始向肖特基势垒区扩展, 一直扩展到肖特基势垒区在以后, 漂移区的载流子浓度变化缓慢, 而在沟道区和肖特基势垒区的载流子浓度变化很快, 这就是MPS与其他器件的最大不同。所有的PN结二极管,在传导正向电流时,都将以少子的形式储存电荷。少子注入是电导调制的机理,它导致正向压降()的降低,从这个意义上讲,它是有利的。但是当正在导通的二极管突然加一个反向电压时,由于导通时在PN结区有大量少数载流子存贮起来,故到截止时要把这些少数载流子完全抽出或是中和掉是需要一定时间的,即反向阻断能力的恢复需要经过一段时间,这个过程就是反向恢复过程,发生这一过程所用的时间定义为反向恢复时间。值得注意的是在未恢复阻断能力之前,二极管相当于处于短路状态。全部恢复过程如下图所示。图2-8二极管反向恢复特性对于MPS，反向恢复时,PN结形成的耗尽区将会向沟道区扩散,在一定反偏电压下,耗尽区就会连通,从而在沟道区形成一个势垒,使耗尽层随着反向偏压的增加向N+衬底方向扩展。这个耗尽区将肖特基界面屏蔽于高场之外,避免了肖特基势垒降低效应,使反向漏电流大大减小,此时,MPS反向特性接近PN结。因此，MPS具有较小的反向恢复电流和时间。第三章 MPS二极管的结构设计3.1设计思想由第二章的介绍可知，混合PIN/Schottky 二极管（MPS），它速度快、击穿电压高、漏电流小、正向压降低，适合功率系统使用。因此MPS的设计关键之一就是调整P+区的浓度以增加其注入效率，可以增大电导调制效应，从而可以降低N区的串联电阻，因此它的正向压降也会降低，功耗也将减少；关键之二是调整PN结区和肖特基区的长度比，折衷其反向击穿电压和反向电流以满足设计要求；关键之三是设计N区的厚度和掺杂浓度，在满足达到反向击穿电压的条件下优化N区的厚度和掺杂浓度，使其串联电阻达到最小。当设计好上述参数和结构后，再进行表面造型和保护的设计，以降低表面电荷、覆盖材料、结附近杂质浓度及分布等的影响。3.2 MPS二极管的性能参数以下的各个参数如第2章图2-7所示.3.2.1 反向重复电压当正在导通的二极管突然加上一个反向电压时，由于导通时在PN结区有大量少数载流子存贮起来，因此通过二极管上的电流要变为零时需要一段时间，而由于电路中的电感的存在，会产生一个感生电压，因此可以预测反向峰值电压的幅值就为： (3-1)考虑到设计时需要有一定的余量，所以需要设计的反向重复电压要高一些。3.2.2 反向漏电流对于MPS二极管，它的反向电流主要由两部分组成，一个是来自肖特基势垒的注入，它与肖特基接触的面积和反向电压有很大的关系，另一个是耗尽层产生的电流和扩散电流，载流子的寿命和温度对它的影响比较大。其中肖特基注入电流由下列的表达式描述： (3-2)第二部分电流为 (3-3)所以总的反向漏电流为两者和，即： (3-4)3.2.3 正向导通压降由于MPS的漂移区（N区）的掺杂浓度较低、沟道调制效应不太明显时，会引起的较大串联电阻，对电流的有限制作用以，除此以外，MPS的正向电流特性和SBD一样，具有势垒和,它的正向压降为: （3-5）式中：理查得常数 绝对温度肖特基势垒高度单元电流密度而对于漂移区压降，电流从宽度为2d顶部流向宽度为(m+s)的底部,所以漂移区的串联电阻为: （3-6）式中电子迁移率为获得希望的击穿电压所需要的耗尽层宽度综合通过肖特基势垒和漂移区的压降,正向压降为: （3-7）3.2.4 反向恢复时间因为为所有的PN结二极管，在传导正向电流时，都将以少子形式储存电荷。这些电荷在加反向电压时并不能立即被抽取或复合，即到截止时要把这些载流子完全中和掉或是抽取出是要一段时间的，这段过程就是反向恢复过程，发生这一过程所用的时间定义为反向恢复时间（）。当P+N型二极管处于正向时，电荷的运动规律由非平衡空穴决定。当二极管加上反向电压E后的时间内，反向电流： （3-8）其中：V为PN结电压；为负载电阻。由结电压V极小，因而： （3-9）在基区有： （3-10）解上式可得： （3-11）二极管整个反向恢复时间为所需用的时间，可以得到： （3-12）可见，