中心議題:

• 討論高頻電鍍用快恢複整流二極管的開發研製

解決方案:

• 采用PiN 結構製成的快恢複整流二極管實現高頻整流
• P+-i-N+結構為電源裝置的設計製造提供了選擇途徑

引言

“對於直流電源，為了提高其工作性能，或是為了使直流電源達到小型輕量化的目的
，常會遇到大電流高頻整流問題。特別是對於低電壓（臆24 V）的直流電源
，這個問題就顯得更加突出。”“其典型例子有：高頻直流電鍍電源等。”

高gao頻pin直zhi流liu電dian鍍du電dian源yuan由you於yu其qi輸shu出chu波bo形xing的de可ke控kong性xing，不bu僅jin使shi電dian鍍du速su度du大da大da加jia快kuai，而er且qie使shi電dian鍍du層ceng的de質zhi量liang大da大da提ti高gao，同tong時shi又you使shi電dian源yuan設she備bei的de體ti積ji大da大da減jian少shao
，節jie電dian效xiao果guo顯xian著zhu。

1 課題的提出

以(yi)前(qian)高(gao)頻(pin)電(dian)鍍(du)電(dian)源(yuan)所(suo)用(yong)的(de)快(kuai)恢(hui)複(fu)整(zheng)流(liu)二(er)極(ji)管(guan)都(dou)是(shi)肖(xiao)特(te)基(ji)二(er)極(ji)管(guan)結(jie)構(gou)。這(zhe)種(zhong)快(kuai)恢(hui)複(fu)整(zheng)流(liu)二(er)極(ji)管(guan)充(chong)分(fen)利(li)用(yong)肖(xiao)特(te)基(ji)二(er)極(ji)管(guan)多(duo)數(shu)載(zai)流(liu)子(zi)導(dao)電(dian)，因(yin)而(er)正(zheng)、反向恢複時間都短的優勢，實現高頻高效整流。

功率二極管的正向恢複時間理解為：一個尚未導通的功率二極管在正向電流突然強行經過它時（叫做強製開通），gaibiandaowanquankaitongzhuangtaishisuoxudeshijian。zaigonglverjiguanwanquanhuifudaokaitongzhuangtaiqian，zhengxianghuifuqijiandezhengxiangyajiangyaobiwanquankaitongzhuangtaishideyajianggaodeduo，zhekenenghuichanshengdianludianyajianfeng。

功率二極管的反向恢複時間理解為：一個正向導通的功率二極管在通過它的電壓突然反向時（叫做強迫關斷），恢複到阻斷狀態時所需的時間。

功率二極管在反向恢複期間將產生大的反向電流和大的功率損耗，這是研製與應用功率二極管所不希望有的。

juyouchangfanxianghuifushijiandegonglverjiguanleisiyujuyoudajishengdianrongdegonglverjiguan
，juyouchangzhengxianghuifushijiandegonglverjiguanleisiyujuyoudajishengdiangandegonglverjiguan。

本課題采用通常的PiN 結構製成的快恢複整流二極管實現高頻整流及電鍍應用。在保證正向、反fan向xiang恢hui複fu時shi間jian都dou達da到dao基ji本ben要yao求qiu的de前qian提ti下xia
，使shi快kuai恢hui複fu整zheng流liu二er極ji管guan既ji在zai反fan向xiang恢hui複fu時shi間jian內nei不bu產chan生sheng大da的de反fan向xiang電dian流liu和he大da的de功gong率lv損sun耗hao
，又you在zai正zheng向xiang恢hui複fu時shi間jian內nei不bu產chan生sheng過guo大da的de電dian路lu電dian壓ya尖jian峰feng（換言之，就是將寄生電容、電感做到最小）。進而發揮大電流特性，特別是浪湧電流高的優勢，實現強電流高頻整流及應用。

2 肖特基二極管結構的優缺點

金屬和輕摻雜半導體之間的接觸是整流接觸，又稱為肖特基（Schottky）勢壘接觸。利用這樣的整流接觸做成的器件
，稱之為肖特基二極管。

肖特基二極管中電荷的運輸是靠多數載流子來完成的。因此，與少子注入、過剩載流子的抽取與複合等相關聯的現象，並不出現在開通和關斷過程中。所以在高頻狀態下使用肖特基二極管具有優勢。

2.1 肖特基二極管的優點

1）反向恢複時間和正向恢複時間都短
；

2）在低電流密度（JF<10 A/cm2）下，有比P+ -n-N+結構的整流二極管更低的通態電壓。

2.2 肖特基二極管的缺點
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1）在有限麵積的接觸處，擊穿電壓通常會小於100 V
；
3 基本技術方案

本課題采用的技術方案是在電焊機專用大電流密度整流二極管的科研成果[4]的基礎上，如單晶的選取、擴散方法和技術要求、多層金屬化的歐姆接觸
、台麵噴砂造型和聚酰亞胺鈍化保護、管殼設計等大都是直接借用過來的
，並且是經過改進的方案研製的，所以使整個研製工作走了捷徑。
 
命子p 有一個近似理想的分布
；再用12 Mev 電子輻照，降低基區少子壽命到在矽片的兩麵蒸鍍鈦-鎳-金、經台麵噴砂造型
，之後經去砂清洗腐蝕聚酰亞胺鈍化保護、中間測試、裝入陶瓷環充氮氣冷壓焊封裝成型，再經全麵測試電熱參數、動態參數合格，最後製成高頻電鍍直流電源專用功率整流快恢複二極管。

4 P+-i-N+功率二極管頻率特性的改進

大電流密度下的P+-i-N+功(gong)率(lv)二(er)極(ji)管(guan)的(de)通(tong)態(tai)特(te)性(xing)大(da)大(da)優(you)於(yu)肖(xiao)特(te)基(ji)二(er)極(ji)管(guan)是(shi)不(bu)言(yan)而(er)喻(yu)的(de)。問(wen)題(ti)是(shi)如(ru)何(he)提(ti)高(gao)其(qi)頻(pin)率(lv)特(te)性(xing)，使(shi)其(qi)接(jie)近(jin)肖(xiao)特(te)基(ji)二(er)極(ji)管(guan)的(de)水(shui)平(ping)。提(ti)高(gao)開(kai)通(tong)和(he)關(guan)斷(duan)過(guo)程(cheng)的(de)速(su)度(du)，也(ye)就(jiu)是(shi)千(qian)方(fang)百(bai)計(ji)縮(suo)短(duan)由(you)斷(duan)到(dao)開(kai)
，特(te)別(bie)是(shi)由(you)開(kai)到(dao)關(guan)的(de)時(shi)間(jian)
，即(ji)縮(suo)短(duan)正(zheng)向(xiang)恢(hui)複(fu)時(shi)間(jian)tfr和反向恢複時間trr。
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4.1 縮短正向恢複時間t（fr 改進開通特性）

由整流二極管的國際標準知

，正向恢複時間tfr 規定為：在緊接零電壓或其他規定的反向電壓條件施加規定的階躍正向電流時，正向電壓上升到第一個規定值瞬間和從其峰值VFRM 下降到接近正向電壓最終穩定值的第二個規定值瞬間的時間間隔。如圖2 所示。
2）開通時的最高峰值電壓主要由器件雜散（也稱寄生）電感在電流上升率發生時的附加電壓L·di/dt以及結電壓（包括高低結的電壓）構成。顯然控製過大的雜散電感的產生是關鍵。這裏采用有考究的平板式結構，管殼設計為無傘（傘也叫裙邊）薄殼，這都是降低裝配雜散電感，確保VFRM 值不高的必要措施。

一般來講，開通對高頻應用的影響遠不如關斷時反向恢複時間以及反向恢複電荷的影響大。

為此
，提高整流二極管的高頻應用能力，要將重點放在對關斷特性的改進中。

4.2 降低反向恢複時間t（rr 改進關斷特性）

由整流二極管的國際標準知，反向恢複時間trr規定為：當從正向到反向轉換時，從電流過零瞬間起，至反向電流由峰值IFM減少到規定低值瞬間（如圖3 所示）的時間間隔。

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在研製過程中采取的措施是：

1）通過采取磷矽玻璃、硼矽玻璃吸收和慢降溫，先把少子壽命提高到目的是提高電子的少子壽命到，確保高頻應用時壓降不會過大，且正向開通時間tfr短。

2）xiandiwenkuobozailiyongyinjimiangaonongdulinguibolixishou，shishaozishoumingkongzhizaibingzaijiquyouyigelixiangdefenbu
，houcaiyongdianzifuzhaodadaozuizhongdeguanduanyaoqiudejiangdishaozishoumingdekongzhijishu，jibaozhengleqijianchangqiyingyongdekekaoxing
，youbaozhenglefanxianghuifushijiandeyaoqiu，qieyoukeyishiqijianruanguanduan，jiruanyinziFRRS 增大，反向恢複電荷Qr減小。

軟恢複的實質：在反向恢複時間不變的前提下，軟因子FRRS增大
，即反向恢複電流下降時間trRF增長，實質就是反向恢複電荷Qr 減小了（也就是最大反向恢複電流減小）

，這樣就實現了關斷時不產生過大的反向電流和過大的能量損耗的目的。

3）采用截麵電阻率均勻的矽單晶
，使空間電荷區寬度均勻
，結電容小也是關斷時不產生過大的反向電流和過大的能量損耗的措施之一。

4）有意將陽極區的表麵濃度做得比陰極區的還要低，也是提高軟因子，降低反向恢複電荷的措施之一。

5 器件參數的測試

測試研製生產的器件，以規格是直徑48 mm/3 000 A/200 V的器件為例，記錄實測結果如表1所列。


測試結果和客戶現場應用表明
，所研製生產的產品符合高頻電鍍直流電源用快恢複功率二極管的要求。

6 結語

該P+-i-N+結構高電流密度高頻整流二極管的成功開發，無疑為電源裝置的設計製造提供了良好的選擇途徑，可應用在輸出直流電壓逸12 V的大電流高頻整流裝置中，其特點是提高高頻整流性能、減小電源裝置體積和大幅度提高輸出電流。

若采用外延片及陽極超薄發射區結構，將使應用頻率更高，更有利於提高電鍍電源性能，並進一步減小裝置體積和降低能耗。

隨著國家對電力器件的日益重視，大力開展高性能二極管的研究開發將是我國功率半導體工作者的重要任務。