【正文】 向電流密度為JF。這個過程稱為反向恢復。一般地說，當組裝較好，壓力均勻而適中，各種材料之間的軟硬匹配時，以上原因帶來的接觸壓降應該是很小的。 歐姆接觸制作的好壞直接影響到器件的接觸壓降大小。N+N結（或P+P結）對任何方向的電流都不呈現(xiàn)高阻，因而具有歐姆接觸性質。而加負電壓時（N區(qū)接負），勢壘升高，但勢壘升高并不阻斷電子通過。再高低結的界面附近同樣可以形成一個勢壘。 金屬與高摻雜（P+或N+）區(qū)接觸時，電阻可借助隧道效應穿過勢壘，無論正、反向，電子都不必爬過勢壘，可以通過大電流，因而這種接觸是低阻的歐姆接觸。 根據(jù)上述理論，再燒結之前把硅表面進行噴砂打毛，使該處引入大量復合中心，同樣可以消除接觸處的整流效應。正向時，電子可以源遠不斷從導帶進入復合區(qū)，再從復合區(qū)進入導帶，然后進入金屬；反向時，電子不斷地從金屬進入價帶，到復合區(qū)再進入導帶。這種接觸電極無整流作用，阻抗很小。 對于器件的制造者來說，只有制造出性能良好的歐姆接觸電極，才能使管芯成為可供應用的器件?？梢娺@兩者之間的接觸并不一定形成純電阻型接觸。因此，在正常情況下，半導體與金屬之間的接觸情況甚為重要?；蛘吒鼜V泛地說，它還指金屬之間（例如壓接式結構的鉬片與管殼電極之間，銅壓塊與管芯表面之間）的接觸壓降。提高少子壽命，有利于增強基區(qū)電導調制作用，降低正向壓降和提高過載能力，但是，正如前面所分析的那樣，不能無限制地增加少子壽命，否則會引起結壓降上升，甚至造成正向壓降增加，這在器件設計時需要加以注意。因此。同時，器件又能保持具有高壓結構的所謂“長”結構二極管的特點。因此，在器件設計時，應盡可能地使d/La在高電流密度時保持較小的值。D＝La為兩者的過渡標志。正因為如此，為了獲得良好的正向特性，電力半導體器件總是隨著要求要求有較高的載流子壽命。下面主要討論降低壓降和接觸壓降的突降、提高少子壽命由于正向壓降的體壓降VM是隨d/La比值增大而增大，降低正向壓降VF必須降低d/La比值。但這而這的要求使相互矛盾的。由于在P區(qū)和N區(qū)的復合而減小調制基區(qū)電導的正向電流分量，從而使電壓降VM增大。在更高的電流密度下，少數(shù)載流子向陽極P+區(qū)和陰極N＋區(qū)的注入變得不可忽略。因而，正向電流密度隨注入載流子濃度大大增加。俄歇復合過程除了改變d/La值外，在決定載流子濃度隨正向電流密度變化中起著重要作用。另一方面，大注入條件子下，雙極擴散系數(shù)也將減小，它們的共同作用都是減小擴散長度，使（d/La）增大。2) 俄歇復合效應在很高的電流密度下，少子壽命主要由俄歇復合壽命所支配，這時，有效壽命可表示為 (238)式中，τa=τpo+τno ，τA=γ3n3。不同電荷類型載流子之間的散射，會導致遷移率下降，意味著電阻率增加，壓降增大；另一方面，擴散系數(shù)也隨之下降，在壽命不變的情況下（），相應地（d/La）增大，從而造成體壓降VM隨之增加。1) 載流子之間散射對壓降的影響器件工作再大注入狀態(tài)時，基區(qū)充塞著大量的電子和空穴，當載流子濃度為1017cm2以上時，壓降就變得與載流子濃度有很大依賴關系，這種依賴關系是由于載流子間的散射引起的強相互作用而造成的。而這個壽命的準確值是基區(qū)和端區(qū)性質的函數(shù)。另一方面載流子之間的散射，餓歇復合及注入效率的變化，又直接影響對I區(qū)注入載流子的電導調制作用，使正向壓降增加。因為，假定沒有端區(qū)的復合作用，由于載流子在兩端P—N結邊緣處的聚集而引起結壓降增大，最終能迫使由于壽命增長而引起的基區(qū)體壓降下降。實驗表明，二極管的正向壓降隨著壽命的增加二迅速減小，直到d/La≈1為止。二函數(shù)F(d/La)與電流沒有直接關系，它與d/La間的函數(shù)關系如圖2－5所示。因為 (231) (232)式中ND為I（N）區(qū)的摻雜濃度，聯(lián)立式（2－31）和（2－32），以及大注入條件下，p(d)=n(d)，得到 （2－33）由（2－7）式得到二極管的正向壓降 (234)利用式（2－20）求出載流子濃度n(d)、n(+d)，代入上式即可得到正向壓降 (235)式中體壓降VM由（2－26）式求得。正因為如此，PIN二極管是一種高壓大功率器件。隨著正向電流密度的增加，I區(qū)的電導率亦成比例地增加，從而使該區(qū)的電壓降保持常值。對于硅，b=μn/μp=3，式（2－26）可簡化為 （2－27）對于d≥3La的情況，則與上述相反，稱為“長”結構二極管，此時式（2－26）可簡化為 （2－28）遷移率相等時，b=1和B＝0，（2－26）變?yōu)? （2－29）此種情況下，對于“短”結構二極管（d≤La），上式又可簡化為 （2－30）由(2—26)及其各種簡化表達式可知，I區(qū)體壓降VM與通過的電流無關。當圖2－4 VM與d/La的關系d≤La時，即La比I區(qū)的半寬度大時，稱為“短”結構PIN二極管。采用（2－20）的濃度分布，將（2－25）在I區(qū)內積分得到該區(qū)體壓降VM，即 （2－26） 該方程的曲線如圖2－4所示。為了確定I區(qū)的電壓降VM，首先必須知道電場的分布。若假定μn＝μp，B=0，載流子分布是對稱的，其最低點再中央處。由式（2－20）確定I區(qū)中載流子分布，如圖2－3所示。將邊界條件式（2－18）和（2－19）代入（2－14），并考慮到dn(x)/dx=dp(x)/dx及JF=JP(d)=Jn(+d)，即可求出常數(shù)A1和A2得表達式。因I區(qū)工作在大注入狀態(tài)，該區(qū)內穩(wěn)態(tài)雙極連續(xù)性方程可表示為 （2－12）圖2－3 PIN二極管正向導通時的載流子及電位分布式中Da為雙極擴散系數(shù)，因此雙極擴散長度為La=（Daτa）1/2，于是上式變?yōu)? （2－13）此式為雙極擴散方程，其一般解為 （2－14）常數(shù)AA2邊界條件確定。它的基本思路是首先找出各區(qū)載流子所遵從的運動方程，根據(jù)邊界條件求解電子、空穴濃度的分布；然后再由電流密度方程求得電場強度和電流密度J；然后對E積分得到正向體壓降VM。 PIN二極管的正向特性下面敘述比較完整的PIN二極管理論。將式（2－8）積分得到 （2－9）式中，τa為雙極壽命。根據(jù)空穴和電子在I區(qū)復合的速率便可計算正向電流，因為 （2－8）式中，基區(qū)寬度WI=2d，U為大電流下給出的復合率U(x)=n(x)/τa。設外加正向壓降為VF則 (27)下面首先對體壓降作簡化的分析，然后再做精確的分析討論。因而PIN二極管好似一個PI二極管和一個電阻及一個NI二極管三者的串聯(lián)組合。因此I層可分為三個區(qū)域：（1）x2到x3之間的正電荷區(qū)；（2）x3到x4的中性區(qū)；（3）x4到x5之間的負電荷區(qū)。在熱平衡時的能帶圖、載流子分布、空間電荷及電場分布2－2所示。 PIN二極管的一般理論所謂PIN二極管是由重摻雜的P型區(qū)和N型區(qū)之間夾一接近本征型的高電阻率i層構成，其一般結構，其一般結構如圖2－2所示。因此，功率二極管都做成重摻雜的P+、N+層之間夾一層較厚的低摻雜的P型或N型層而構成：P+NN+或P+PN+結構。理想的PIN二極管I層材料應是本征型的，但是很難做到。 PIN二極管PIN二極管是由P型和N型材料之間夾一本征層而構成的結型二極管。遷移率和擴散系數(shù)隨載流子濃度增加而下降，使得在大注入時功率二極管、晶閘管的正向壓降增大。在這樣高的正向電流密度下，對反向耐壓較高的器件（N區(qū)的摻雜濃度較低）來說，完全處于大注入狀態(tài)下工作。1. 小注入下的整流方程對于P+N突變結，當N區(qū)處于小注入狀態(tài)時，按照連續(xù)原理，可得PN結的電流－電壓方程為 (21) 當外加電壓為正向電壓VF時，且VF＞＞kT/q時，(21)式可以寫為 (22)當外加電壓為反向電壓VR時，且時，(21)式變?yōu)? (23)(21)式為PN結的反向電流，又稱為反向擴散電流，流過PN結的反向電流不僅有反向擴散電流，還存在PN結產生電流，產生電流可以表示為 (24)因此PN結的反向電流為 (25) 2. 大注入下的伏安特性對于P+N結，當正向電壓增高，注入增大后，注入到N區(qū)的非平衡載流子等于甚至大于該區(qū)的平衡載流子濃度，達到大注入水平。 PN結二極管盡管功率二極管的結構有所不同，但整流特性仍然主要由PN結特性所確定。一個性能優(yōu)良的功率二極管，應該是正向電流盡量大，特性曲線盡量靠近縱坐標，使正向壓降為最??；反向特性應是漏電流要小，反向擊穿電壓向，而且特性曲線直，具有所謂的硬特性。 利用P—N結的整流特性，可以把反復變換方向的交流電變成單方向流動的電流，所以在許多電子儀器設備和電力電子裝置中都大量使用各種類型的功率二極管。高壓功率二極管一般都采用此種結構。對于P+—N—N+結構，中間層為輕摻雜區(qū)(常稱為基區(qū))，當摻雜濃度很低時，可近似看作本征半導體，P+—N—N+結構便可近似為P—I—N結構。器件的電流在500～1000A，電壓在1000～2000V范圍。5. 雪崩二極管 這是一種具有雪崩擊穿特性，并能在規(guī)定時間內承受一定反向浪涌功率二極管。它是將整流元件串接封裝在一起而成的。3. 高溫整流管這種器件的特點是工作結溫可高達175℃以上，電流也可達到幾十安培，電壓在幾百范圍。這種二極管的整流作用是由金屬與硅間形成的接觸勢壘來實現(xiàn)的。通常也稱為快恢復二極管。這種器件只適合于頻率較低（400Hz以下）的電網換相變流器中使用。當電流大于1A時，稱為功率二極管或功率整流管。后兩種是制作功率整流管的兩種基本結構。(3) P＋－P－N—N＋結構，如圖21(c)所示。對于以P—N結為核心的整流二極管，通常定義通過電流大于1A的二極管為功率二極管或功率整梳管。例如利用P—N結整流特性制成的整流二極管；利用擊穿特性別成的穩(wěn)壓二極管；利用隧道效應制成的隧道二極管；利用P—N結電容效應制成的變容二極管和將P—N結作為光源的電致發(fā)光二極管，等等。 電力整流二極管的基本結構和類型實際的二極管，一般就是一個P—N結加上電極引線和外殼封裝而成的，稱為P－N結二極管。典型的功率整流管為PIN結構。本章分析P—N結作為整流器的特性。第二章 電力整流管大多數(shù)二極管就是只飽含—個P—N結的兩端器件，稱為P—N結二報管。GTR器件器件的前景較為暗淡，低壓（600V）以下的應用將逐步被功率MOSFET替代，而600V以上的應用將逐步由IGBT代替。隨著高頻電力電子技術的發(fā)展，用碳化硅制成的電力電子開關器件和電力整流管，在降低功耗、提高工作頻率中將發(fā)揮巨大的作用，因此更進一步開發(fā)各種碳化硅電力電子開關器件亦是今后研究工作的重點。進一步提高IGBT和MCT的額定電壓、電流和工作頻率，改善MPS的軟反向恢復特性以及降低IGBT的通態(tài)壓降，研制智能IGBT模塊，開發(fā)低電壓（2~3V）電源用的并具有低通態(tài)壓降和低壓電力整流管將是今后研制工作重點之一。但是這種趨勢必須引起電力電子工程師們的充分注意和重視，積極開展這方面的開發(fā)和研究工作。它們的功耗隨頻率的增加而增加，50kHz內變化很小。目前已研制出φ25mm的SiC基片，實現(xiàn)了SiC襯底低缺陷的外延工藝，而且氧化、參雜、半導體金屬接觸腐蝕等工藝方法逐步成熟。利用傳統(tǒng)的硅單晶材料已不能很好地滿足上述要求，因此具有較大禁帶寬度、較高載流子遷移率和良好電熱傳導性的碳化硅、砷化鎵和金剛石薄片得到很好的開發(fā)。隨著制造PIC工藝的成熟，圖18 PIC電壓、電流范圍及應用領域同一芯片上制造不同元件精度的提高，PIC將獲得重大發(fā)展，成為未來的重要電力半導體器件。PIC分為兩類：高壓集成電路（HVIC）和智能集成電路（SPIC）,前者用橫向高壓器件（承受高壓的兩個電機都從芯片的同一表面引出）與起控制作用的傳統(tǒng)邏輯電路或模擬電路繼承，后者是縱向功率器件（管芯背面作主電極，通常是集電極或漏極）與邏輯或模擬控制電路、傳感器以及保護電路等單片繼承。由于裝置采用PIC，可使裝置內電源部分的體積縮小、重量減輕、寄生的L和C減小、性能改進、可靠性提高、從而使裝置的成本降低。若以MPS整流管代替PIN整流管與IGBT配合使用，可使系統(tǒng)的總功耗降低1/2，大大改善了系統(tǒng)的性能。它不僅具有較高的反圖17左為PIN整流管，右為MPS整流管的結構示意圖向阻斷電壓，而且其通態(tài)壓降很低，反向恢復時間很短，反向恢復峰值電流很小，而且具有軟的反向恢復特性。圖16(a)和(b)分別為目前常用的幾種電力整流管的水平及其發(fā)展趨勢，圖16普通、快恢復和肖特基整流管的額定值(a)及其發(fā)展趨勢(b)它們相互比較各有其特點：普通整流管具有較小的樓電流，較高的通態(tài)電壓降（）和幾十微秒的反向恢復時間；肖特基整流管具有較低的通態(tài)壓降（～），較大的