如何利用SILVACO软件对二极管特性进行仿真研究

摘要：传统的快恢复二极管，为了缩短反向恢复时间，通常采用电子辐照来减小基区的少子寿命，但电子辐照在降低器件的反向恢复时间的同时，也使得其通态压降增大。本文采用双质子辐照的局域寿命控制的方法，利用 SILVACO 软件对二极管特性进行仿真研究，讨论局域低寿命区在二极管中的不同位置，对快恢复二极管的反向恢复电流，反向恢复软度因子，以及通态压降的影响，为快恢复二极管的实际生产提供理论依据。

1  引言

在高电压大电流回路中，开关器件主要采用具有自关断能力的功率半导体器件，如 GTO，MOSFET，IGBT 或者采用使用外部电流触发关断的晶闸管，这些开关器件工作时需要与之并联一个功率快恢复二极管，主要用来通过电路负载中的过剩电流，与负载形成环路，减小开关器件中电容上电荷的存储与消失时间，减弱由负载电流反向导致寄生电感感应出的高电压，延缓了开关器件的老化，增加了器件使用寿命[1]。

因此，这就要求快恢复二极管软度因子 S 大，反向恢复时间 trr 短，反向恢复电流 Irr 小。长期以来都是采用整体寿命控制技术，如扩金、扩铂、电子辐照等技术，但是这些技术在降低器件的反向恢复时间的同时，也使其导通压降和反向漏电流增大。随着研究的深入，局域寿命控制技术作为新的寿命控制技术受到广泛关注。局域寿命控制技术是当今国际寿命控制技术研究的前沿[2]。

局域寿命控制技术是在 FRD 内有选择性地引入复合中心，形成局域低寿命区。用氢离子或氦离子进行离子注入，在不同能量时就会在不同深度处（射程末端附近）产生高浓度缺陷，从而形成局域低寿命区[3,4]。局域寿命控制技术可以有效解决快恢复二极管的反向恢复时间与导通压降、反向恢复时间与漏电流之间的冲突。本文利用 SILVACO 软件对PIN 二极管进行双质子辐照仿真分析，讨论了不同能量下低寿命区的位置对 PIN 二极管的静态和动态特性的影响。

2  PIN二极管反向恢复特性原理分析

在 t0 时刻给正向导通的 PIN 二极管施加反向电压，其电流电压波形如图 1 所示，期间基区等离子分布曲线如图 2 所示。反向恢复过程分为以下几个阶段。

阶段 1（t0～t1）：流过二极管的电流以几乎恒定的变化率 di/dt 变化，di/dt 的大小取决于所施加的反向电压 VDC 和电路中的寄生电感 Li。因为 di/dt 很高，t0～t1 之间的时间间隔非常短，因此当电流过 0 时（t1），二极管内还有大量的非平衡载流子。

阶段 2（t1～t2）：在电流过 0 之后，n- 区内过量载流子仍然使二极管处于导通状态，二极管上的电压仍然很小。因而电流 I(t) 继续以相同的 di/dt 速度增加。反向电流是依靠抽取 n- 区非平衡载流子来维持的，在非平衡载流子抽取的过程中，空穴通过阳极排出，电子通过阴极排出，这使得 n- 区两个边缘处的等离子浓度迅速衰减。

阶段 3（t2～t3）：在 t2 时刻，pn- 结处的等离子浓度下降到 0，因此在 pn- 结处能够形成耗尽层。简单说，该阶段即是耗尽层扩展的过程，在 t3 时刻，二极管上的电压达到 VDC，di/dt 下降到 0。反向恢复电流达到最大值，被称为反向恢复峰值电流 Irr。

阶段 4（t3～t4）：在 t4 之后，空间电荷区边界处的非平衡载流子浓度梯度将降低。因此，t3 之后反向电流将减小，与此相关的电流变化率称为恢复 di/dt。负 di/dt 使电感 Li 建立负电压，这导致二极管出现过电压。

阶段 5（t5～t6）：等离子的耗尽使反向电流下降至 0，恢复 di/dt 降低，因此二极管上的电压又降回VDC。在 t6 时刻，反向恢复过程结束。

将反向峰值电流 Irr 与 0.25 Irr 两点的连线在时间轴上的交点称为时刻 t5，将 t0 时刻到 t5 时刻这段时间称为反向恢复时间 trr。t1～t3 为基区中存储的非平衡载流子被反向电压扫出的时间，称为非平衡载流子存储时间 ta。从 t1 到 t2 这段时间称为复合时间 tb。表征二极管反向恢复软度的方法通常是用 tb 与 ta 之比表示，即 S = tb/ta [5]。

二极管主要动态参数：Irr，trr 和 S。通过前面的分析可知，要减小 Irr 和 trr，同时增大 S，并尽可能减小正向通态压降。应使基区具有理想状态的等离子分布，即左侧的等离子浓度尽可能低，右侧等离子浓度尽可能高，如图 2 所示。采用如图 3 [6]所示的两种不同能量的质子辐照所得到的轴向载流子寿命分布可使基区具有如图 2 所示的理想等离子分布。

3  结构参数的确定

FRD 的结构如图 4 所示， N- 层掺杂浓度为2×1014 cm-3，N- 层宽度为 90μm，N+ 区的深度为 60μm，掺杂浓度为 5×1019 cm-3。P+ 区的结深为 50μm，掺杂浓度为 1×1019 cm-3。

文献表明：双峰质子辐照更有利于 FRD 反向恢复特性的改进[7]。本文采用两次质子辐照，形成双峰陷阱区，一个峰值陷阱区位于 N- 区，一个峰值陷阱区位于 P+ 区，并对质子辐照的相关参数对FRD 特性的影响进行仿真分析。

4  仿真工具与模型选择

本研究所用的仿真工具是 Silvaco 软件中的ATLAS 器件仿真器。根据研究需要选择的物理模型有肖克莱-里德-霍尔复合模型（SRH）；重掺杂时禁带宽带变窄模型（BGN）；大注入条件下的俄歇复合模型（AUGER）；平行电场对载流子迁移率影响的迁移率模型（FLDMOB）；碰撞电离模型（IMPACT SELB）。其中，肖克莱-里德-霍尔复合模型为：

（1）

其中，ETRAP 是复合中心能级与本征费米能级之间的差值；TL 为开尔文温度下的晶格温度；TAUN0，TAUP0 分别为电子和空穴的寿命。

5  质子辐照的仿真分析

质子辐照的深度取决于辐照的能量，辐照剂量控制在 1×1011～5×1014 cm-2 范围内[8]，本文通过控制辐照的能量来仿真不同辐照位置对二极管特性的影响，本文选定的辐照剂量为 1×1012 cm-2。

5.1 辐照深度对快恢复二极管软度因子的影响

软度因子是衡量二极管反向恢复特性的重要参数，为了实现二极管的软恢复就要求在反向恢复末期（t3～t6），在靠近阴极的漂移区内还有大量的非平衡载流子使得反向恢复特性曲线有一个较长的拖尾，即 di/dt 较小，曲线变化缓慢。

辐照从阳极区进入，由前面分析，设置第一次辐照深度的范围在漂移区，即辐照的深度在 50～140μm，第二次辐照深度的范围在阳极区，即辐照的深度在 0～50 μm。

图 5 为测试条件为 IF = 5A，VR=30V，di/dt= 200 A/μs 的情况下，第二次深度分别为 10、20、30、40、50 μm 时，软度因子与第一次辐照深度的关系。从图 5 可知，当第一次辐照深度为 120 μm，第二次辐照深度为 20 μm，软度因子最大为 2.06。

P+ 阳极区通过质子辐照，引入复合中心，可以降低阳极注入效率。N- 漂移区内通过质子辐照，降低了 N- 区左侧的寿命。两次质子辐照均降低了漂移区左侧的等离子浓度，使载流子分布趋近于如图 2 所示的理想化，这使 t1～t3 的时间间隔（tb）缩短。由于质子辐照只降低了 N- 区左侧的寿命，右侧的寿命仍保持较高的值，因此 t3～t4 之间的时间间隔（ta）不会因为质子辐照而缩短，因此软度因子较大。

5.2 辐照深度对快恢复二极管反向恢复峰值电流的影响

图 6 为测试条件为 IF =10 A，VR =100 V，di/dt = 200 A/μs时，第二次深度分别为 10、20、30、40、50 μm 时，反向恢复峰值电流的大小与第一次辐照深度的关系。

从图 6 中可以看出，当第一次辐照深度为60μm，第二次辐照深度为 30μm 时，反向恢复峰值电流最小，为 16.6 A。当第一次辐照深度为 120μm，第二次辐照深度为 20μm 时，反向恢复峰值电流为 32 A。两次辐照的位置越靠近 PN 结，漂移区靠近阳极区侧的存储电荷量越小，反向恢复过程中阳极侧抽取的载流子数量减小，使得反向恢复峰值电流减小。

5.3 质子辐照的能量对 FRD 通态压降的影响

在正向导通电流密度为 100 A/cm2 条件下，提取出不同质子辐照深度对应的快恢复二极管正向导通压降，图 7 为第二次深度分别为 10、20、30、40、50 μm 时，正向导通电压的大小与第一次辐照深度的关系。

当第一次辐照深度为 120 μm，第二次辐照深度为 20μm 时，二极管的导通电压为 1.18 V。远小于全区域降低寿命的正向压降。

6  结语

本文通过双质子辐照对 FRD 特性影响研究，得出以下结论：在保证质子辐照剂量不变的条件下，通过调整质子辐照的辐照深度来实现在 P+ 阳极区和 N- 漂移区分别引入局域低寿命区。通过分析，双质子辐照的能量分别为 3.3 MeV 和 0.8 MeV，对应的质子辐照的辐照深度分别 120μm 和 20μm 时，FRD 的特性最佳。