理解功率mosfet 体二极管反向恢复特性日期：2012-12-27 来源：作者 .pdfVIP

理解功率 MOSFET 体二极管反向恢复特性 日期：2012-12-27 来源：作者：万代半导体元件(上海)有限公司 葛小荣 刘松 半桥、全桥和 LLC 的电源系统以及电机控制系统的主功率 MOSFET、同步 Buck 变 换器的续流开关管、以及次级同步整流开关管，其体内寄生的二极管都会经历反向电流 恢复的过程。功率 MOSFET 的体二极管的反向恢复性能和快恢复二极管及肖特基二极管 相比，其反向恢复速度要低很多，反向恢复电荷也要大很多，因此反向恢复的特性较差。 这样，导致二极管的开关损耗增加，降低系统的效率，同时，也会产生较高的振铃，影 响功率 MOSFET 的安全工作 。功率 MOSFET 数据表中，通常给出了一定条件下的 Qrr 和反向恢复的时间，并没有给出和实际应用相关的、在不同的起始电流和不同的电流下 降斜率下，对应的反向恢复特性，本文就讨论这些问题并做详细的分析。 MOSFET 的结构及反向恢复波形分析 沟槽 Trench 型 N 沟道增强型功率 MOSFET 的结构如图 1 所示，在 N-epi 外延层 上扩散形成 P 基区，然后通过刻蚀技术形成深度超过 P 基区的沟槽，在沟槽壁上热氧化 生成栅氧化层，再用多晶硅填充沟槽，利用自对准工艺形成 N+源区，背面的 N+substrate 为漏区，在栅极加上一定正电压后，沟槽壁侧的 P 基区反型，形成垂直沟 道。由图 1 中的结构可以看到，P 基区和 N-epi 形成了一个 PN 结，即 MOSFET 的寄生 体二极管。 图 1 MOSFET 内部结构 图 2 反向恢复波形 当体二极管外加正向电压 VF 时，正向电压削弱了 PN 结的内电场，漂移运动被削 弱，扩散运动被增强，扩散和漂移的动态平衡被破坏。结果造成 P 区的空穴（多子）流 向 N 区，N 区的电子(多子）流向 P 区，如图 1 中箭头所示。进入 P 区的电子和进入 N 区的空穴分别成为该区的少子。因此，在 P 区和 N 区的少子比无外加电压时多，这些 多出来的少子称为非平衡少子。这些非平衡少子，依靠积累时浓度差在 N 区和 P 区进 行扩散。空穴在 N 区扩散过程中，同 N 区中的多子电子相遇而复合，距离 PN 结边界 越远，复合掉的空穴就越多。通常把正向导通时，非平衡少数载流子积累的现象叫做电 荷存储效应。 当体二极管施加反向电压时，P 区存储的电子和 N 区存储的空穴不会马上消失，它 们将通过两个途径逐渐减少： a. 在反向电场作用下，P 区电子被拉回 N 区，N 区空穴被拉回 P 区，形成反向漂 移电流； b. 与多数载流子复合。 通过图 2 可以很好地说明整个反向恢复的过程。 a. T0～T1 阶段，PN 结处于正向偏置，即势垒区仍然很窄，PN 结的电阻很小，二 极管的正向电流以一固定的 di/dt 逐渐减小，di/dt 的大小由外电路决定； b. T1～T2 阶段，二极管的存储电荷在反向电压的作用下开始扫出，但 PN 结仍未形 成耗尽层，反向电流由扫出的过量电荷维持。因此二极管不能承受反向电压，电流仍以 di/dt 速率下降； c. T2～T3 阶段，PN 结处等离子浓度衰减为 0，即在 PN 结处形成耗尽层，PN 结开 始承受反向电压。由于二极管反向电压的上升，导致了反向恢复电流的 di/dt 逐渐减小； 在 T3 时刻，二极管电压达到 VDC，di/dt 降到 0，扫出电流达到最大值，即 IRR； d. T3～T4 阶段，反向电流由从等离子区扩散到耗尽层的载流子维持，由于等离子 的持续耗散，在空间电荷区的边缘过量电荷浓度的梯度逐渐减小，导致 T3 后的反向电 流将减小。由于负 di/dt 的存在，二极管上的反向电压将会出现超调，当电流降为 0 时， 反向电压将会达到最大值。T4 之后，回路进入了 RLC 自由振荡阶段。 反向恢复中的 di/dt 分析