快恢复二极管P-i-N的基本结构

通常，额定电流超过1安培的半导体器件称为功率半导体。它们阻断电压范围从几伏一直到上万伏。在众多的功率半导体器件中，功率二极管是相对简单的一种器件，但它同时也是在电力电于电路中应用最为广泛的一种常用基础器件。它不仅应用于简单的整流电路，同时也常常用作续流二极管(简称FWD)，简单的单相半桥式逆变电路中，与可控的开关器件匹配，反并联使用，以继续维持感性负载上的电流，防止由于电流的突然跌落产生的电压尖峰。这种FWD的使用，在开关电源、变频电源、不间断电源、变频电机驱动等很多应用场合大量存在。

快恢复二极管具有反向阻断时高耐压低漏电流，正向低通态电阻大电流的特点。由于作为开关使用，因此一般需要其开关速度较快。另外，适当选择续流二极管的特性，尤其是反向恢复特性，如反向恢复时间和反向恢复软度，能够显著减少开关器件、二极管和其他电路元件的功耗，并减小由续流二极管引起的电压尖峰、电磁干扰，从而尽量减少甚至去掉吸收电路。

功率二极管与普通二极管的区别在于它具有额定工作电流大，阻断电压高的特点。因此，为了实现高耐压，不能使用普通的PN结结构，而是普遍采用P-i-N结构。

P-i-N结构的二极管，在普通的PN结之间加了一个i区，代指轻掺杂的半导体区。由于PN结是通过耗尽区的扩展来承受压降的，因此，由泊松方程可知，耗尽区内的净电荷密度越小，电场斜率就越小，而又由于电场峰值处在PN结处，因此，轻掺杂一侧的半导体耗尽后，场下降缓慢，电压为电场在位置上积分，便可以承受较大的电压。因此，最好，在PN结之间有一个本征区，这样，电场就可以平着一段距离，以实现较大耐压。i代表本征区的含义，但本征半导体在实际工艺中是不现实的，因此，i区实际上是一个轻掺杂的半导体区。通常，这个i区是轻掺杂的N区，原因主要有两个：一是，通过使用中子嬗变的工艺，可制造出掺杂浓度低且非常均匀的N型掺杂;二是，对于同一给定电压级别，P+N结制成的器件厚度比N+P结制成的器件厚度要薄，同时器件功耗是与它们的厚度平方约成正比增加的。前面已经提到了P-i-N结构的P+N结区了，下面介绍剩下的N区的必要性。

对于半导体与金属电几的接触，由于N型半导体不像P型半导体可以低掺杂一样容易与金属形成良好的欧姆接触，与其掺杂浓度低于1019cm-3时就会产生较高的接触电阻，因此，i区不能直接与金属电极相连，以免产生较大压降及过多功耗。通过在轻掺杂的i区侧添加一个重掺杂的N+层，便可以解决该问题。这也就形成了功率二极管P-i-N的基本结构。由于反偏状态下，PN结结角处会有电力线集中，因此简单的P-i-N二极管通常其耐压值更远小于相应的理想平行平面结的耐压。为了改善其耐压特性，通过引入结终端技术，回采用分压场环、保护环、场板、或使用台面结构、正斜角、负斜角终端来提高终端效率，实现最大程度的耐压。

快恢复二极管正向的低阻，是通过PN结正偏时，向i区注入大量的等离子体，这些过剩的载流子浓度远超过i区平衡时的载流子浓度，形成对i区的电导调制来实现的。然而，这些注入的大量过剩载流子，在PN结反偏，也就是二极管关断时，却会大大拖慢器件的关断时间。由于i区通常要有一定的厚度来维持耐压，因此，器件在正偏工作时里面储存的少数载流子需要通过漂移、复合才能消失，但这是需要一定时间的，这也就形成了功率二极管的反向恢复过程。由于快恢复二极管通常与其他开关器件反并联使用，反向恢复过程严重制约了器件的高额性能，极大影响到其他器件以及整个系统的工作频率及性能，因此需要极力减小、消除。

掺杂的i区侧添加一个重掺杂的N+层，便可以解决该同题。这也就形成了快恢复二极管P-i-N的基本结构。

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审核编辑：汤梓红