功率半导体器件原理及设计课件 ch3 功率二极管25

功率半导体器件Ch3功率二极管

(PowerDiodes)电子工程系2025·春12功率二极管封装外形HighPowerRectifierDiodesZP整流管单管管芯FRD（快恢复二极管）单管管芯模块FastSoftRecoveryDiode(FSRD)IGBT模块FSRD32、PN的形成（动画演示）3、PN结的单向导电性（动画演示）基础知识回顾1、半导体中的两种载流子（动画演示）4内容提要§3.1功率二极管分类与结构特点§3.2PIN二极管工作原理与I-V特性§3.3静态和动态特性分析§3.4功率肖特基二极管§3.5应用要求与设计考虑§3.6特点与应用范围

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§3.1功率二极管分类与结构特点功率二极管分类及其相互关系扩散二极管外延二极管1.根据制造工艺分:功率二极管2.根据用途来分:整流二极管（ZP）开关二极管(快、超快恢复二极管)(FRD)续流二极管(快速软恢复二极管)(FSRD)功率二极管双极—普通功率二极管(pin)单极—功率肖特基二极管(SBD)功率二极管3.根据工作机理分:56p+pnsubn+|NA-ND|/cm-3X/

mp+pnn+结构的杂质分布功率二极管基本结构：pnn+结构和p+pnn+结构A(阳极)p+nsubpn+K(阴极)特点：1.功率处理能力强；2.阻断电压高；3.正向压降较低。适合作整流二极管用特点：1.击穿电压低；2.正向压降很低；3.开关速度快。适合低压快恢复二极管p+nn+sub|NA-ND|/cm-3X/

mpnn+结构的杂质分布外延工艺扩散工艺外延二极管扩散二极管A(阳极/Anode)p+nnsub+K(阴极/Cathode)§3.2

PIN二极管工作原理与I-V特性1.工作原理

+-正向导通反向恢复+-Ap+nnsub+KAp+nnsub+K-+反向截止Ap+nnsub+K(UAK<0)(UAK>0.7)(UAK<0)电导调制电流反向+少子复合穿通或雪崩击穿78状态条件特征反向截止阳-阴极加反向电压较小（即UAK<UBD）截止,漏电流小阳-阴极加反向电压过大（即UAK>UBD）（UBD为击穿电压

）pn结雪崩击穿,或n基区穿通,电流急增正向恢复阳-阴极加正向电压（即UAK>UTO）

（UTO为开启电压

）载流子向n基区注入,产生正向电流通态阳-阴极加正向电压（即UAK>UTO）

n基区电导调制，传导正向大电流反向恢复阳-阴极加反向电压（即UAK<0）

反向电流抽取，载流子复合功率二极管工作条件与状态特征91)当PIN二极管的UAK<0时，p+n结反偏，承担反向电压，功率二极管处于反向截止状态，此时漏电流很小。当UAK继续增加，直到大于功率二极管的击穿电压(UAK>UBD)时，功率二极管发生雪崩或穿通击穿，漏电流急剧增加。2)当UAK>UTO时，p+阳极区向n基区注入空穴，n+阴极区向n基区注入电子，使n基区充满了大量非平衡载流子。当其浓度

n=

p>>nn0(即大注入)时，n基区内发生电导调制效应，功率二极管处于正向导通状态，此时通过器件的电流很大，两端的压降很低。3)当阳-阴极两端加上反向电压(UAK<0)，功率二极管进入反向恢复过程。于是导通状态下存储在n基区中的大量非平衡载流子不断复合，外加反向电压可加速n基区中非平衡载流子抽取，缩短反向恢复时间。直到n基区中非平衡载流子彻底消失完，功率二极管才完全截止，并承受外加反向电压(UAK=UR)。PIN二极管的工作原理10与普通PN结二极管相同：当外加正向电压(UAK>UTO)时，pn结导通，形成电流。当外加反向电压(UAK<0)时，pn结截止，漏电流非常小。二极管具单向导电性。

2.I-V特性正向要求：电流尽量大，特性曲线尽量靠近纵轴，使正向压降为最小;反向要求：反向击穿电压尽量高，特性曲线尽量靠近横轴，漏电流小，且特性曲线要直，具有所谓“硬”特性。

二极管伏安特性开启电压UTO电路符号反向击穿电压UBD11主要特性参数1.IF(AV)：正向平均电流在规定的结温和散热条件下，允许流过的最大正弦半波电流的平均值。2.UF：正向压降指在一定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的管压降。3.URRM：反向重复峰值电压（额定电压）所能重复施加的反向最高峰值电压，对应的反向不重复峰值电压URSM为1.11URRM(旧标准)或URRM+100V(新标准)。4.IRRM：反向漏电流（额定电压下的电流）多芯片并联时要求正向压降为正温度系数dUF/dT＞0指反向截止时的漏电流（高温下漏电流会显著增大）功率二极管阳-阴极电压变化曲线URSMURWMURRM反向工作峰值电压反向重复峰值电压反向不重复峰值电压针对不可重复的浪涌条件而设置选用二极管时，电压选择应取2倍的安全裕量。（额定电压）12137.QRR：反向恢复电荷8.S：软度因子9.IFSM：浪涌电流指功率二极管所能承受的最大的连续一个或几个工频周期的过电流。表征二极管抗短路冲击的能力。5.trr：反向恢复时间指由导通到关断时，从IF过零到IR下降到其最大值的1/4时的时间间隔。

指反向恢复期间的反向电流最大值。6.IRM：反向恢复峰值电流指反向恢复期间抽取的电荷量，定义为反向电流对时间的积分。指反向恢复时间内的下降时间与存储时间的比值，是描述反向恢复特性软度的专用参数。10.TJM：最高工作结温在pn结不损坏的前提下，所能承受的最高平均温度(125℃~175℃)。一、反向击穿特性（UAK<0）

反向击穿特性指反偏pn结的击穿特性。UAK>UB→IR↑↑

二极管I-V特性击穿电压1.雪崩击穿：

UAK↑→Ed↑→碰撞电离加剧反向击穿特性有两种型式：

雪崩倍增→n,p↑↑→IR↑↑2.热击穿：T3>T2>T1

→n,p↑§3.3静态和动态特性分析当功耗(反向电流与反向电压的乘积PJ=UR

IR)超过了pn结允许的耗散功率(

)，就会因热量散发不出去而使pn结温度升高,导致二极管过热而烧毁。使用时要避免热击穿。14二、功率二极管耐压结构及其电场分布

J1pnn+p+p+pnn+结构J1n+np+pnn+结构n区较宽ND较高n区较窄ND较低Wn

Ecr电场分布WD反向击穿电压临界击穿电场强度NPT型，Nonpunchthrough

PT型，punchthroughWn-电场分布EcrWn-反向击穿电压15课堂小测验1.功率二极管的耐压层主要是：A.p+阳极区B.n基区

C.n+阴极区

3.功率二极管导通时的状态特征是载流子发生：A.电导调制效应B.

雪崩倍增

C.A和B4.功率二极管的击穿模式为：A.雪崩击穿 B.热击穿C.A和B5.关于功率二极管的耐压结构下列描述正确的是：A.非穿通型耐压（NPT）结构的电场强度分布为梯形B.穿通型耐压（PT）结构的电场强度分布为三角形C.非穿通型与穿通型耐压相等时,电场强度分布包围的面积相同2.功率二极管在高反向电压下时会发生：A.

pn结雪崩击穿

B.

n基区穿通

C.A和B

1617UAK导通状态:UAK>0二、通态特性n(x)=p(x)nnpp载流子分布UFUpJUIUnJ正向压降p+nn+wnx=0-wn/2wn/2正向压降：

结压降UpJ和UnJ可用J表示为：式中J为电流密度；K0为依赖于温度和二极管掺杂浓度分布的常数，参数

随电流密度而变化，kT/q为常数(常温下为0.026V)。n基区的平均载流子浓度为式中：wn为n基区厚度；R为复合速率；

n(x)为n基区的载流子浓度分布；

H为大注入时的载流子寿命(

H=

no+

po)。稳态时电流密度也可用pn结合nn+结处的非平衡载流子浓度表示为：1819体压降UI可简化为：UF依赖于电流密度J、大注载流子寿命

H及n基区厚度wn。正向压降：n基区的体压降UI为式中Rn,sp为n基区的扩展导通电阻/比导通电阻（

cm2）；双极迁移率大注入下双极扩散系数与载流子浓度有关20考虑到浪涌电流的限制，当电流密度J增加时，UF就会急剧增加。正向电流-电压可表示为：其中K0,K1,K2为依赖温度和二极管的结构参数，参数m的典型值在0.6~0.8之间。在实际使用中，产品数据单中通常会给出开启电压UTO和导通特性曲线的斜率电阻rT，可计算出在通态电流为IF时对应的正向压降：降低正向压降UF措施：1.从结构上考虑,减小n基区厚度,需与击穿电压折衷；2.从工艺上考虑，增加少子寿命,需与反向恢复时间折衷；3.从使用角度考虑，限制器件的电流密度和工作温度。21二极管特性参数及其与温度的关系零温度系数点（ZTC）：高、低温下导通特性曲线的交点

开启电压UTO是由3

IF(AV)/2与IF(AV)/2电流所确定的直线与横轴交点电压来确定，该直线的斜率即为导通电阻rT的倒数。高温下开启电压会减小b)正向压降与温度关系UF(V)0J(A)

25℃125℃UTOUFJFUF有负温度系数UF有正温度系数ZTC点UF与T无关在ZTC点之下，UF具有负的温度系数，容易引起热集中；在ZTC点之上，UF具有正的温度系数，有利于均温均流。a)开启电压的定义4.5IF1.5IF223.高温下二极管开启电压UTO会减小；额定电流在零温度系数(ZTC)点所对应电流之上时，UF会随温度升高而增加。说明：功率二极管抗浪涌电流能力受结构参数和工作温度限制。

整流二极管的IFSM(≥25IF)比FSRD的IFSM(约4.5IF)容量高。UF依赖于大注入载流子寿命

H或双极扩散长度La及n基区厚度wn，当wn=2La时,UF可达到最小；wn>2La时,UF就会急剧增加。功率二极管在正偏电压下，从两侧的重掺杂区向中央的n基区注入载流子，对n基区有电导调制(△p=△n>>nn0≈ND)作用，所以可获得较低的正向压降UF。功率二极管在浪涌电流下的正向压降会显著增加，且增加的幅度与浪涌电流大小有关。

课堂思考题1.功率二极管正向电压与什么因素有关？3.功率二极管在高温下为什么会提前导通？4.为什么要求功率二极管的正向压降具有正温度系数？

5.为什么整流二极管承受浪涌电流的能力比FSRD高？

2.如何降低功率二极管的正向压降？2324三、正、反向恢复特性t0i(t)

tIF0.1IFdi/dt0UFtfrUFM1.1UF0.1UF正向恢复时间tfr正向恢复(即开通)波形-pnn+pnn++-+(a)初期(b)末期正向恢复期间n基区的少子浓度分布决定UFM决定UF峰值压降UFM反向恢复(即关断)过程反向恢复时的电流与电压曲线决定IRM决定S反向恢复时的载流子分布(a)中期(b)末期反向恢复期间n基区的少子浓度分布2526①存储时间ts=t1-t0;②下降时间tf=t2-t1;p+n结开始恢复nn+结开始恢复正向压降通态电流反向峰值电压反向恢复峰值电流少子通过复合消失为主少子通过反向电流快速抽出为主t2由电流在0.9IRM与IRM/4处的连线在时间轴上的交点决定。反向恢复时间ts

tfS↑

恢复特性越软软度因子反向恢复时间trr↓

恢复越快反向恢复电荷Qrr=Q1+Q2反向电压动态雪崩27反向恢复电荷Qrr定义为反向恢复期间反向电流对时间的积分，若用直线来表示电流波形，其反向恢复电荷为：Qrr近似等于正向导通时二极n基区的存储电荷Qs，假设功率二极管有源区的面积为A，则联立以上两式，可得反向恢复时间为

τH为大注入载流子寿命,随温度升高而增大,导致trr增加。JF为正向电流密度；JRM为反向峰值电流密度。缩短trr措施：控制载流子寿命，需考虑与正向压降折衷。28软度因子S定义为下降时间tf与存储时间ts的比值;

a)硬恢复特性b)硬恢复特性c)软恢复特性

29功率二极管反向恢复期间载流子空穴的衰减过程软恢复特性取决于其中载流子数的衰减速度，尤其在反向恢复末期，只有当nn+结附近的载流子浓度达到一定值时才能保证其软度。也就是说,在反向恢复末期仍存在一定的载流子时才能实现真正的软恢复。抽取快,t>t4后消失抽取慢,t>t4后仍未消失+-+-30载流子浓度分布及其对应的反向恢复特性曲线具体措施：结构改进（降低p+区浓度和厚度、增加n缓冲层、新结构

）少子寿命控制（掺金、铂或铱；电子辐照、质子辅照）硬恢复软恢复提高阴极侧载流子浓度减低阳极侧载流子浓度31PiNp+n+n-AKLLDApn+n-KFS-LLDpn+n-nAKP+Pp+n-p+n+nn+AKFCE-DCIBH-Dpn+n-AKpppppp+n+n-AKSPEED/SSD快速软恢复二极管阳极与阴极的改进结构

控制阳极侧载流子注入快速度，增加阴极侧载流子注入软恢复NEW参考课本p25-2732测试条件：di/dt=25A/us，ITM=1kA,VRM=100V;测试结果：IRM=62.5A,trr=4.78

s，Qrr=184.5

C电子辐照前、后FRD二极管反向恢复特性曲线的变化电子辐照前

p>100s少子寿命对FRD反向恢复特性曲线的影响电子辐照后

p3s质子辐照效果好慢而软快而硬课堂小测验1.描述功率二极管反向恢复特性的主要参数是：A.trr、Qrr

B.

IRM、URM

C.S

D.A、B和C3.改善功率二极管的反向恢复特性的措施描述正确的是：A.通过阳极结构可以改善软度、阴极结构可以改善速度B.通过阳极结构可以改善速度、阴极结构可以改善软度C.通过电子辐照可以改善速度和软度

D.通过电子辐照可以改善速度，不能改善软度

2.FSRD理想的载流子分布：A.阳极侧载流子浓度低、阴极侧载流子浓度低

B.

阳极侧载流子浓度低、阴极侧载流子浓度高C.阳极侧载流子浓度高、阴极侧载流子浓度低D.阳极侧载流子浓度高、阴极侧载流子浓度高33§3.4功率肖特基二极管功率SBD二极管分类1.普通功率SDB二极管

MPS结构(Mergedpin/Schottky)

3.pin/SBD复合结构—功率肖特基二极管:由SBD派生而来(PowerSchottkyBarrierDiode,PowerSBD)2.结势垒控制肖特基二极管(JunctionBarriercontrolledSchottky,JBS）用途：在开关电路中用作超快恢复二极管34351.功率肖特基(SBD)二极管特点：阈值电压UTO与金属有关,约0.3V.通态压降与J有关。在小J下，压降小；在高J下，压降很高。由于接触区边缘处的空间电荷区弯曲引起电场集中，使其耐压低于100V→终端技术。工作机理:当UAK>UTO时,SBD导通,多子参与导电，无电导调制—单极工作模式。开关速度快,只受MS接触处势垒电容充放电时间限制(向n区扩展)。用途：高频，超快恢复二极管n+

subn

epiAK功率SBD结构及符号p+p+串联电阻2.结势垒控制二极管(JBS)p+36采用不同金属形成的功率SBD

I-V特性曲线UTO为了降低通态功耗，可采用低势垒高度的金属

UTO↓；为了抑制高温下的漏电流，需采用高势垒金属

IR↓。肖特基势垒高度Ubi依赖于金属的功函数。Ubi↓→UTO↓→UF↓；同时Ubi↓→IR↑，需折衷考虑。37

通态特性

功率SBD特征导通电阻为n漂移区电阻RD与UBD的关系各电阻均为特征电阻,

单位为

cm2，UBD的单位为V。功率SBD的正向压降UF可表示为UFS和体压降之和：可见，功率SBD的UF与势垒高度、温度、结构参数及电流密度有关。并且，正向压降具有负的温度系数。由热发射理论知，流过SBD电流UFS为肖特基结的正向压降；38当功率SBD加上反偏压时,由n漂移区来承担反向电压，峰值电场位于金-半接触处。由于金属层不承担电压，所以功率SBD的反向阻断能力可以用突变pn结来处理。假设为平行平面结的击穿，则n漂移区的掺杂浓度ND和厚度WD与击穿电压UBR的关系分别为SBD漏电流:可见，漏电流与温度、势垒高度的变化等有关；漏电流JR随温度升高会急剧增加，随势垒高度降低增加。

反向截止特性课堂思考题1.功率SBD正向压降与什么因素有关？3.为什么功率SBD的正向压降具有负的温度系数？4.为什么功率SBD的漏电流随温度升高而增加？

5.为什么功率SBD的耐压较低而速度很快？

2.如何降低功率SBD的正向压降？392.pin/肖特基复合MPS结构(Mergedpin/Schottky并联)

1)当MPS反向工作时，pn结的空间电荷区相连，将肖特基结屏蔽，使其不承受外加反向电压；pinSBDpinSBD工作原理:2)当MPS正向工作时，当UA>0.3V时，肖特基势垒开通；当UA>0.6V时，pn结开通，有空穴注入，产生电导调制效应，于是正向压降减小。UAK↑

MPS由肖特基结控制的单极模式转向由pn结控制的双极模式40电子流电子流空穴流空穴流空穴流40I-V特性曲线MPS与SBD、pin二极管的特性比较MPS的导通特性介于pin二极管与SBD之间；在低电流密度下MPS的UF低，由SBD决定；在高电流密度下MPS的UF较高，由pin二极管决定。MPS的反向恢复特性比pin二极管更好。41反向恢复峰值电流IRM(A)正向压降UF(V)pinMPS0在J<0.1A/cm2下SBD有更低的UF采用钛、镍、金、铂等金属制作肖特基接触1）4H-SiC

SBD结构与硅SBD结构相同，外延工艺2）4H-SiCSBD的工作原理与硅SBD相同：单极工作模式4.4H-SiCSBD3）4H-SiCSBD的特性：4H-SiCSBD是2kV~3kV、8~10kHz应用场合首选器件在J<1kA/cm2下4H-SiCSBD有更低的UF421）4H-SiC

MPS结构与硅MPS结构相同：外延+硼离子注入工艺，p+区比4H-SiCJBS的p+区更深2）4H-SiCMPS的工作原理与硅MPS相同：单极+双极—双模式工作5.4H-SiCMPS3）4H-SiCMPS的特性：JA=200A/cm2，低压4H-SiCMPS工作在JBS区，高压4H-SiCMPS工作在MPS区1.2kV12kV10~50A/cm2>1kA/cm2200A/cm243（1）整流管：要求：高电压、大电流、低损耗；

选择p+pn-n+结构（2）快恢复二极管：要求：反向恢复时间短（几百ns~5

s）、压降低低压时

选pnn+外延结构、高压时

选pp-n-n+扩散结构（3）快恢复软恢复二极管：要求：反向恢复时间短，软度大，压降低。低压时

选择pn-nn+结构（4层）高压时

选择pp-n-nn+结构（5层）1.功率二极管的应用要求§3.5应用要求与设计考虑4445（1）反向击穿特性（2）正向导通特性（3）反向恢复特性反向击穿电压由雪崩击穿电压决定，与n基区的浓度(或电阻率)和厚度有关;

n-↑/ND↓,wn↑→UBD↑

增加n基区宽度、提高电阻率及其均匀性→反向击穿电压↑;增加空间电荷区载流子的产生寿命

SC↑→反向漏电流↓。正向压降与n基区的厚度及其大注入寿命

H有关;

(wn

/

2La)↓→UF↓(与UBD矛盾);

H=

n+

p↑→UF↓(与toff矛盾)

控制n基区宽度，提高少子寿命，同时要降低接触压降。反向恢复时间与n基区的厚度及其少子寿命

p有关;

wn↓→trr↓但UBD↓,Enn+↑(与阻断特性、抗动态雪崩能力矛盾);

p↓→trr↓(与UF要求矛盾)

降低阳极中性区的少子寿命，增加反向抽取电流。2.各项特性对结构参数的制约关系46对NPT型耐压结构对PT型耐压结构对PT型耐压结构，考虑nn+结电场及终端的影响,n基区厚度：击穿电压UBD与n基区厚度wn之间的关系当厚度Wn相同时，采用PT结构获得击穿电压高。对1200V的器件，采用NPT和PT耐压结构，因n基区厚度不同，导致其UF相差约0.8V；对高压器件,UF差别将会更大。依据UBD估算n基区厚度3.设计考虑47（1）高压整流二极管的设计选PT型耐压结构Wn电场分布Ecr反向击穿电压主要考虑击穿电压和正向压降的折衷：阳极区采用重掺杂、深结，以提高注入效率；减薄n基区的厚度；保证高的载流子寿命。J1n+np+p+pnn+结构p48wn

Ecr反向击穿电压（2）快恢复二极管(FRD)的设计n+nppnn+结构选PT型耐压结构在满足击穿电压的前提下，主要考虑正向压降和反向恢复时间的折衷：阳极区采用中等掺杂、浅结，以降低注入效率；减薄n基区的厚度、适当增加n基区的浓度。降低nn+结处峰值电场强度Enn+Enn+49wn

Ecr反向击穿电压（3）快速软恢复二极管(FSRD)设计n-ppn-nn+结构选PT型耐压结构在满足击穿电压的前提下，主要考虑正向压降和反向恢复速度、软度的折衷：p阳极区采用中等掺杂、浅结以降低注入效率；减薄n基区的厚度、适当增加n基区的浓度。增加n缓冲层，提高恢复末期n-n结处载流子浓度；降低高低nn+结处峰值电场强度Enn+。Enn+na)正斜角b)负斜角

整流二极管常用斜角台面终端结构

a)场限环结构

b)场限环与场板复合结构

快恢复二极管常用的平面终端结构

结终端设计考虑Ws平面终端台面终端UBD为有源区击穿电压UB