如何利用SILVACO軟件對二極管特性進(jìn)行仿真研究

摘要：傳統(tǒng)的快恢復(fù)二極管，為了縮短反向恢復(fù)時間，通常采用電子輻照來減小基區(qū)的少子壽命，但電子輻照在降低器件的反向恢復(fù)時間的同時，也使得其通態(tài)壓降增大。本文采用雙質(zhì)子輻照的局域壽命控制的方法，利用 SILVACO 軟件對二極管特性進(jìn)行仿真研究，討論局域低壽命區(qū)在二極管中的不同位置，對快恢復(fù)二極管的反向恢復(fù)電流，反向恢復(fù)軟度因子，以及通態(tài)壓降的影響，為快恢復(fù)二極管的實際生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 引言

在高電壓大電流回路中，開關(guān)器件主要采用具有自關(guān)斷能力的功率半導(dǎo)體器件，如 GTO，MOSFET，IGBT 或者采用使用外部電流觸發(fā)關(guān)斷的晶閘管，這些開關(guān)器件工作時需要與之并聯(lián)一個功率快恢復(fù)二極管，主要用來通過電路負(fù)載中的過剩電流，與負(fù)載形成環(huán)路，減小開關(guān)器件中電容上電荷的存儲與消失時間，減弱由負(fù)載電流反向?qū)е录纳姼懈袘?yīng)出的高電壓，延緩了開關(guān)器件的老化，增加了器件使用壽命[1]。

因此，這就要求快恢復(fù)二極管軟度因子 S 大，反向恢復(fù)時間 trr 短，反向恢復(fù)電流 Irr 小。長期以來都是采用整體壽命控制技術(shù)，如擴(kuò)金、擴(kuò)鉑、電子輻照等技術(shù)，但是這些技術(shù)在降低器件的反向恢復(fù)時間的同時，也使其導(dǎo)通壓降和反向漏電流增大。隨著研究的深入，局域壽命控制技術(shù)作為新的壽命控制技術(shù)受到廣泛關(guān)注。局域壽命控制技術(shù)是當(dāng)今國際壽命控制技術(shù)研究的前沿[2]。

局域壽命控制技術(shù)是在 FRD 內(nèi)有選擇性地引入復(fù)合中心，形成局域低壽命區(qū)。用氫離子或氦離子進(jìn)行離子注入，在不同能量時就會在不同深度處（射程末端附近）產(chǎn)生高濃度缺陷，從而形成局域低壽命區(qū)[3,4]。局域壽命控制技術(shù)可以有效解決快恢復(fù)二極管的反向恢復(fù)時間與導(dǎo)通壓降、反向恢復(fù)時間與漏電流之間的沖突。本文利用 SILVACO 軟件對PIN 二極管進(jìn)行雙質(zhì)子輻照仿真分析，討論了不同能量下低壽命區(qū)的位置對 PIN 二極管的靜態(tài)和動態(tài)特性的影響。

2 PIN二極管反向恢復(fù)特性原理分析

在 t0 時刻給正向?qū)ǖ?PIN 二極管施加反向電壓，其電流電壓波形如圖 1 所示，期間基區(qū)等離子分布曲線如圖 2 所示。反向恢復(fù)過程分為以下幾個階段。

階段 1（t0～t1）：流過二極管的電流以幾乎恒定的變化率 di/dt 變化，di/dt 的大小取決于所施加的反向電壓 VDC 和電路中的寄生電感 Li。因為 di/dt 很高，t0～t1 之間的時間間隔非常短，因此當(dāng)電流過 0 時（t1），二極管內(nèi)還有大量的非平衡載流子。

階段 2（t1～t2）：在電流過 0 之后，n- 區(qū)內(nèi)過量載流子仍然使二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，二極管上的電壓仍然很小。因而電流 I(t) 繼續(xù)以相同的 di/dt 速度增加。反向電流是依靠抽取 n- 區(qū)非平衡載流子來維持的，在非平衡載流子抽取的過程中，空穴通過陽極排出，電子通過陰極排出，這使得 n- 區(qū)兩個邊緣處的等離子濃度迅速衰減。

階段 3（t2～t3）：在 t2 時刻，pn- 結(jié)處的等離子濃度下降到 0，因此在 pn- 結(jié)處能夠形成耗盡層。簡單說，該階段即是耗盡層擴(kuò)展的過程，在 t3 時刻，二極管上的電壓達(dá)到 VDC，di/dt 下降到 0。反向恢復(fù)電流達(dá)到最大值，被稱為反向恢復(fù)峰值電流 Irr。

階段 4（t3～t4）：在 t4 之后，空間電荷區(qū)邊界處的非平衡載流子濃度梯度將降低。因此，t3 之后反向電流將減小，與此相關(guān)的電流變化率稱為恢復(fù) di/dt。負(fù) di/dt 使電感 Li 建立負(fù)電壓，這導(dǎo)致二極管出現(xiàn)過電壓。

階段 5（t5～t6）：等離子的耗盡使反向電流下降至 0，恢復(fù) di/dt 降低，因此二極管上的電壓又降回VDC。在 t6 時刻，反向恢復(fù)過程結(jié)束。

將反向峰值電流 Irr 與 0.25 Irr 兩點的連線在時間軸上的交點稱為時刻 t5，將 t0 時刻到 t5 時刻這段時間稱為反向恢復(fù)時間 trr。t1～t3 為基區(qū)中存儲的非平衡載流子被反向電壓掃出的時間，稱為非平衡載流子存儲時間 ta。從 t1 到 t2 這段時間稱為復(fù)合時間 tb。表征二極管反向恢復(fù)軟度的方法通常是用 tb 與 ta 之比表示，即 S = tb/ta [5]。

二極管主要動態(tài)參數(shù)：Irr，trr 和 S。通過前面的分析可知，要減小 Irr 和 trr，同時增大 S，并盡可能減小正向通態(tài)壓降。應(yīng)使基區(qū)具有理想狀態(tài)的等離子分布，即左側(cè)的等離子濃度盡可能低，右側(cè)等離子濃度盡可能高，如圖 2 所示。采用如圖 3 [6]所示的兩種不同能量的質(zhì)子輻照所得到的軸向載流子壽命分布可使基區(qū)具有如圖 2 所示的理想等離子分布。

3 結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

FRD 的結(jié)構(gòu)如圖 4 所示， N- 層摻雜濃度為2×1014 cm-3，N- 層寬度為 90μm，N+ 區(qū)的深度為 60μm，摻雜濃度為 5×1019 cm-3。P+ 區(qū)的結(jié)深為 50μm，摻雜濃度為 1×1019 cm-3。

文獻(xiàn)表明：雙峰質(zhì)子輻照更有利于 FRD 反向恢復(fù)特性的改進(jìn)[7]。本文采用兩次質(zhì)子輻照，形成雙峰陷阱區(qū)，一個峰值陷阱區(qū)位于 N- 區(qū)，一個峰值陷阱區(qū)位于 P+ 區(qū)，并對質(zhì)子輻照的相關(guān)參數(shù)對FRD 特性的影響進(jìn)行仿真分析。

4 仿真工具與模型選擇

本研究所用的仿真工具是 Silvaco 軟件中的ATLAS 器件仿真器。根據(jù)研究需要選擇的物理模型有肖克萊-里德-霍爾復(fù)合模型（SRH）；重?fù)诫s時禁帶寬帶變窄模型（BGN）；大注入條件下的俄歇復(fù)合模型（AUGER）；平行電場對載流子遷移率影響的遷移率模型（FLDMOB）；碰撞電離模型（IMPACT SELB）。其中，肖克萊-里德-霍爾復(fù)合模型為：

（1）

其中，ETRAP 是復(fù)合中心能級與本征費米能級之間的差值；TL 為開爾文溫度下的晶格溫度；TAUN0，TAUP0 分別為電子和空穴的壽命。

5 質(zhì)子輻照的仿真分析

質(zhì)子輻照的深度取決于輻照的能量，輻照劑量控制在 1×1011～5×1014 cm-2 范圍內(nèi)[8]，本文通過控制輻照的能量來仿真不同輻照位置對二極管特性的影響，本文選定的輻照劑量為 1×1012 cm-2。

5.1 輻照深度對快恢復(fù)二極管軟度因子的影響

軟度因子是衡量二極管反向恢復(fù)特性的重要參數(shù)，為了實現(xiàn)二極管的軟恢復(fù)就要求在反向恢復(fù)末期（t3～t6），在靠近陰極的漂移區(qū)內(nèi)還有大量的非平衡載流子使得反向恢復(fù)特性曲線有一個較長的拖尾，即 di/dt 較小，曲線變化緩慢。

輻照從陽極區(qū)進(jìn)入，由前面分析，設(shè)置第一次輻照深度的范圍在漂移區(qū)，即輻照的深度在 50～140μm，第二次輻照深度的范圍在陽極區(qū)，即輻照的深度在 0～50 μm。

圖 5 為測試條件為 IF = 5A，VR=30V，di/dt= 200 A/μs 的情況下，第二次深度分別為 10、20、30、40、50 μm 時，軟度因子與第一次輻照深度的關(guān)系。從圖 5 可知，當(dāng)?shù)谝淮屋椪丈疃葹?120 μm，第二次輻照深度為 20 μm，軟度因子最大為 2.06。

P+ 陽極區(qū)通過質(zhì)子輻照，引入復(fù)合中心，可以降低陽極注入效率。N- 漂移區(qū)內(nèi)通過質(zhì)子輻照，降低了 N- 區(qū)左側(cè)的壽命。兩次質(zhì)子輻照均降低了漂移區(qū)左側(cè)的等離子濃度，使載流子分布趨近于如圖 2 所示的理想化，這使 t1～t3 的時間間隔（tb）縮短。由于質(zhì)子輻照只降低了 N- 區(qū)左側(cè)的壽命，右側(cè)的壽命仍保持較高的值，因此 t3～t4 之間的時間間隔（ta）不會因為質(zhì)子輻照而縮短，因此軟度因子較大。

5.2 輻照深度對快恢復(fù)二極管反向恢復(fù)峰值電流的影響

圖 6 為測試條件為 IF =10 A，VR =100 V，di/dt = 200 A/μs時，第二次深度分別為 10、20、30、40、50 μm 時，反向恢復(fù)峰值電流的大小與第一次輻照深度的關(guān)系。

從圖 6 中可以看出，當(dāng)?shù)谝淮屋椪丈疃葹?0μm，第二次輻照深度為 30μm 時，反向恢復(fù)峰值電流最小，為 16.6 A。當(dāng)?shù)谝淮屋椪丈疃葹?120μm，第二次輻照深度為 20μm 時，反向恢復(fù)峰值電流為 32 A。兩次輻照的位置越靠近 PN 結(jié)，漂移區(qū)靠近陽極區(qū)側(cè)的存儲電荷量越小，反向恢復(fù)過程中陽極側(cè)抽取的載流子數(shù)量減小，使得反向恢復(fù)峰值電流減小。

5.3 質(zhì)子輻照的能量對 FRD 通態(tài)壓降的影響

在正向?qū)娏髅芏葹?100 A/cm2 條件下，提取出不同質(zhì)子輻照深度對應(yīng)的快恢復(fù)二極管正向?qū)▔航?，圖 7 為第二次深度分別為 10、20、30、40、50 μm 時，正向?qū)妷旱拇笮∨c第一次輻照深度的關(guān)系。

當(dāng)?shù)谝淮屋椪丈疃葹?120 μm，第二次輻照深度為 20μm 時，二極管的導(dǎo)通電壓為 1.18 V。遠(yuǎn)小于全區(qū)域降低壽命的正向壓降。

6 結(jié)語

本文通過雙質(zhì)子輻照對 FRD 特性影響研究，得出以下結(jié)論：在保證質(zhì)子輻照劑量不變的條件下，通過調(diào)整質(zhì)子輻照的輻照深度來實現(xiàn)在 P+ 陽極區(qū)和 N- 漂移區(qū)分別引入局域低壽命區(qū)。通過分析，雙質(zhì)子輻照的能量分別為 3.3 MeV 和 0.8 MeV，對應(yīng)的質(zhì)子輻照的輻照深度分別 120μm 和 20μm 時，F(xiàn)RD 的特性最佳。