MOSFET体二极管反向恢复过程分析

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1、MOSFET体二极管反向恢复过程Aug.142013AOSConfidential内容PN结反向恢复过程MOSFET体二极管的形成MOSFET体二极管的反向恢复过程•di/dt阶段•dv/dt阶段MOSFET体二极管反向恢复的仿真和实测结果•不同寄生电感•不同C的影响GS•不同I的影响F结论10/27/2015AOSConfidential2无偏置P区N区－－－－－＋＋＋＋＋－－－－－＋＋＋＋＋－－－－－＋＋＋＋＋扩散运动和漂移运动达到平衡，PN结形成一势垒区•扩散：P区空穴向N去扩散，N区电子向P区扩散•漂移：由于

2、势垒区的存在，N区扩散至P区的部分电子被拉回，P区扩散至N区的部分空穴被拉回10/27/2015AOSConfidential3正向偏置P区N区－－－－－＋＋＋＋＋外加正向电压削弱了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。(a)势垒区图P区的空穴（多子）流向N区，N区的电子(多子）流向P区。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,如图(b)所示。非平衡少子依靠积

3、累时浓度差在N区和P区进行扩散。在扩散过程中，同该区中(b)非平衡少子分部图多子相遇而复合，距离PN结边界越远,复合就越多，这样就形成了如图(c)所示的非平衡少子浓度分布规律。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。10/27/2015(c)非平衡少子浓度分布图AOSConfidential4反向恢复P区N区－－－－－＋＋＋＋＋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，但它们将通－－－－－＋＋＋＋＋过两个途径逐渐减少：•在反向电场作用下，P区电子被拉回N区，(a)势垒

4、区图N区空穴被拉回P区，形成反向漂移电流IR；•与多数载流子复合。在这些存储电荷突然消失之前，PN结仍处于正向偏置，即势垒区仍然很窄，PN结的电阻很小，与R相比可以忽略，所L以此时反向电流I=(V+V)/R。V表示RRDLDPN结两端的正向压降，一般V＞＞V,即RD(b)非平衡少子分部图I≈V/R。在这段期间，I基本上保持RRLR不变，主要由V和R所决定。RL经过时间Ts后，P区和N区所存储的电荷已显著减少，势垒区逐渐变宽，反向电流I逐渐减小到正常反向饱和电流的数R值，经过时间Tf，二极管转为截止。(c)非平衡少子被拉回10

5、/27/2015AOSConfidential5反向恢复特性MOSFET体二极管Tb/Ta一般为0.2~0.4硬恢复特性的体二极管更易产生振铃10/27/2015AOSConfidential6MOSFET寄生二极管的结构MOSFET结构Source•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N+槽，在沟槽壁上热氧化生成栅氧化层，PbodyGate再用多晶硅填充沟槽，利用自对准工Hole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N-epiElectron槽

6、壁侧的P基区反型，形成垂直沟道。P基区和N-epi形成了一个PN结，即N+SubstrateMOSFET的寄生体二极管。Drain10/27/2015AOSConfidential7反向恢复-di/dt阶段FVPHASE,IPHASEVVDCTimeT0T1T2T3T4IRRT0~T2：di/dt阶段•T0~T1，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；•T1~T2，二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，

7、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；10/27/2015AOSConfidential8反向恢复-dv/dt阶段P区N区FVPHASE,I－－－－－＋＋＋＋＋－－－－－＋＋＋＋＋PHASE－－－－－＋＋＋＋＋VVDCT0~T1,正向偏置－－－－－＋＋＋＋＋－－－－－＋＋＋＋＋－－－－－＋＋＋＋＋TimeT1~T4,反向偏置T0T1T2T3T4IRRT2~T4：dv/dt阶段•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

8、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V，di/dt降到0，扫出电流达到最大值，即I；DCRR•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