MPS二极管特性折衷的研究

张晓勇，关艳霞

（沈阳工业大学信息科学与工程学院，沈阳110870）

1 引言

在开关电源或逆变电路中，快速软恢复二极管得到大量的使用。特别是在IGBT模块中需要反向恢复特性快而软的续流二极管，以提高IGBT的开关特性[1]。对于低压系统，可以使用肖特基二极管。对于中高压系统，大部分使用PIN结构的二极管。但是，这种PIN二极管具有较差的开关特性（大峰值反向恢复电流，长关断时间和较差的反向di/dt）[2]。通常通过金或铂掺杂、电子辐照、轻离子辐照等少数载流子寿命控制技术，来改善PIN二极管的反向恢复特性。但是这种寿命控制技术导致正向压降和反向漏电流的增加[3-4]。

通过改变阳极结构，控制阳极的注入效率，调制其内部的载流子分布，从而获得较软的反向恢复特性和较好的导通特性[5]。MPS二极管合并了PIN二极管和肖特基二极管，利用PIN二极管在大注入条件下的电导调制效应，从而使肖特基的漂移区电阻减小，在大的电流密度下，降低了导通压降[6-7]。而且这种二极管不需要使用额外的寿命控制技术，可以在器件设计期间通过改变肖特基区的面积优化正向导通和反向恢复特性，节省了成本[8]。与其它结构的二极管相比，MPS二极管具有更好的反向恢复和正向导通的折衷特性[9]。

2 MPS二极管的结构

MPS二极管的结构如图1所示，其基础结构参数为：Wp+=6μm，Wn-=173μm,Wn+=41μm, 单晶 Si片总厚度H=Wp++Wn-+Wn+=220μm。其中，p+区表面浓度为 5e18，n+区表面浓度为1e19，n-区的浓度为7.6e13。

图1 MPS二极管结构

首先对图1所示的MPS二极管的正向特性、反向阻断特性和反向恢复特性进行分析，然后优化元胞的尺寸和肖特基区域的面积，使得MPS二极管具有正向导通电压和反向恢复特性的良好折衷，同时具有较小的反向漏电流。

3 MPS二极管特性仿真与分析

3.1 正向导通特性的仿真分析

利用Silvaco软件对图1所示的MPS二极管进行仿真，图2中的图2(a)、图2(b)分别为不同元胞宽度和不同肖特基面积比的正向导通特性。

图2 MPS二极管的正向特性

由图2(a)中可以看出，随着元胞面积的增大，在100A/cm2的电流密度下，正向压降逐渐减小。这是因为元胞面积增大，PIN区也相应增大，注入的少量载流子增多，电导调制效应更好，压降减小。当取相同的PIN区宽度（如图2(b)）不同的肖特基区面积时，随着肖特基区面积的增大，在100A/cm2的电流密度下，正向压降逐渐增大。这是因为随着肖特基面积的增大，注入的空穴数目减少，漂移区电导调制效应变弱，正向压降增大。

3.2 反向阻断特性的仿真分析

如图1所示，PIN二极管和肖特基二极管混合在一起，形成了MPS二极管结构。MPS二极管结构中PN结之间的距离，要求设计成在相对较小的反向偏压下被夹断。PN结之间的距离耗尽以后，势垒形成在肖特基金属下方，它屏蔽了施加在阴极的反向偏压。与普通的肖特基二极管相比，通过选择合适的PN结之间的距离，使MPS二极管中肖特基接触处的电场大大减小。这就抑制了肖特基势垒降低，从而MPS二极管中的漏电流降低到远低于肖特基二极管的漏电流[10]。

图3中的图3(a)、图3(b)分别为不同元胞宽度和不同肖特基面积比的反向阻断特性曲线。在反向阻断的过程中，PN结形成的势垒屏蔽了肖特基表面的电场，从而避免了势垒降低效应，提高了阻断电压。选取A1A2虚线位置，得出了电场的分布情况如图4所示。其中仿真温度为125℃。

图3 MPS二极管反向阻断特性曲线

从图3(a)可以看出，取50%肖特基面积，不同元胞面积对反向阻断特性影响不大。但是取相同的PIN区的宽度，如图3(b)所示随着肖特基面积的增大，反向电流密度逐渐增大，这是因为PIN区的屏蔽作用减弱，肖特基势垒降低效应增强，使反向电流密度增大。A1A2虚线位置的电场的分布情况如图4所示（仿真温度为125℃），从中可以看出，PN结的屏蔽使最大电场强度发生在体内。

图4 MPS二极管反向阻断的电场分布

3.3 反向恢复特性的仿真分析及特性折衷

因为没有PN结的正向注入，正向导通的MPS二极管中的肖特基区载流子浓度很低。因为关断时要消除存储电荷，使得MPS二极管载流子分布优于PIN二极管中观察到的载流子分布。MPS二极管表现出了较小的反向恢复峰值电流和存储电荷，因此降低了开关的功率损耗。另外，可以通过改变MPS二极管结构中PN结和肖特基接触的相对面积来实现导通压降和反向恢复功率损耗之间的折衷。另外可以使用PIN二极管的寿命控制技术，实现折衷曲线的进一步优化[10]。

在功率器件的双脉冲测试电路中，FRD作为续流二极管在主开关器件第二次开通时将经历反向恢复过程。图5为反向恢复仿真的简化电路，第一阶段的稳态仿真计算二极管在通态电流下的电路特性。第二阶段仿真反向恢复过程，反向恢复的电流下降速率由电源电压和电感决定。

图5 MPS二极管反向恢复特性仿真电路

图6为不同元胞宽度和不同肖特基面积的反向恢复特性曲线[11]。从图6(a)可以看出，取50%肖特基面积，随着元胞面积的增大，反向恢复时间增大，并且反向峰值电流也增大。当取PIN区宽度相同时（如图6(b)），随着肖特基面积的增大，反向恢复时间逐渐减小，同时反向峰值电流也减小。

图6 MPS二极管反向恢复特性曲线

图7为相同肖特基面积比不同元胞大小和相同PIN区宽度不同肖特基面积的正向导通和存储电荷的折衷特性。从图7(a)可以看出，相同的肖特基面积，随着元胞面积的增大，正向压降逐渐减小，但是存储电荷却逐渐增多。存储电荷增多，使得反向恢复特性变差。如图7(b)所示，相同的PIN区宽度，随着肖特基区面积的增大，正向导通压降增大，存储电荷减少，同时也给出了1200V时的反向电流密度。

图7 MPS漂移区储存电荷与结构参数的关系

图8给出了MPS二极管反向恢复期间的载流子衰减过程。在0.8μs时，MPS二极管开始承受反向阻断电压，此后恢复过程会产生拖尾电流。由于载流子的衰减速度决定二极管是否具有软恢复特性，尤其在反向恢复末期，当NN+结附近的载流子浓度达到一定值时才能保证软度。在0.8μs以后末端仍有较多的载流子，所以MPS二极管的软度特性很好。

图8 MPS二极管反向恢复期间载流子浓度的变化

4 结束语

通过使用Silvaco软件仿真了MPS二极管的正向导通特性、反向阻断特性和反向恢复特性，并且对正向导通特性和反向恢复特性进行了折衷优化，在不使用寿命控制技术的条件下，通过优化肖特基面积，可以获得更好的折衷特性。并且通过改变结构参数对这些特性进行了优化。

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