DE4135258C2 - Fast power diode - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine schnelle Leistungsdiode mit den Merkmalen des Oberbegriffes der Ansprüche 1 und 2.The invention relates to a fast power diode with the Features of the preamble of claims 1 and 2.
In Schaltkreisen mit induktiver Last ist eine sog. Freilauf diode schaltungsgerecht beigeordnet. Durch immer höhere Leistungsfähigkeit der schaltenden Bauelemente wachsen auch die Forderungen an die Freilaufdiode. Neben der Sperrspannungs belastbarkeit, einem niedrigen Durchlaßspannungsabfall und geringem Rückstrom wird ein weiches, sog. soft-recovery- Verhalten, gefordert, eine dem dynamischen Verhalten der Diode zugeordnete Eigenschaft, welche das Ausräumen des Plasmas von Ladungsträgern aus dem Halbleiterkörper beim Umschalten aus der Durchlaßphase in die Sperrphase betrifft.In circuits with an inductive load there is a so-called freewheel diode assigned according to the circuit. By always higher The performance of the switching components is also growing the requirements for the freewheeling diode. In addition to the reverse voltage resilience, a low forward voltage drop and low backflow becomes a so-called soft recovery Behavior, demanded the dynamic behavior of the diode associated property, which the evacuation of the plasma from Charge carriers from the semiconductor body when switching concerns the pass phase in the blocking phase.
Beim weichen Recovery-Verhalten klingt der Rückstrom im wesentlichen sanft ab, ohne daß durch ihn unerwünschte Über spannungen in der Schaltung entstehen, während bei einer Diode mit hartem (sog. snappigen) Schaltverhalten hohe Spannungen induziert werden können. Die Maßnahmen zur Erzielung des soft-recovery-Verhaltens führen aber zu erhöhtem Durchlaß spannungsabfall, was zu Schaltverlusten führt.With the soft recovery behavior, the reverse current sounds in the substantially smoothly without causing unwanted excess voltages arise in the circuit while with a diode with hard (so-called snappy) switching behavior high voltages can be induced. The measures to achieve the However, soft recovery behavior leads to increased permeability voltage drop, which leads to switching losses.
Zur Gestaltung guter Einsatzeigenschaften der Freilaufdiode sind verschiedentlich in der Literatur Verfahren beschrieben, die gegenläufigen Eigenschaften zu optimieren. Es ist bekannt, daß das Recovery-Verhalten durch Dotierung und Bemessung der hochohmigen Mittelschicht der Dreischichtstruktur des Halb leiterkörpers beeinflußt wird. Weiter ist bekannt, daß zur Einstellung der lokalen Trägerlebensdauer und damit zur Beein flussung des Schaltverhaltens im Sinne einer Veränderung des Recovery-Verhaltens eine Protonenbestrahlung und/oder Be strahlung mit Helium-Kernen anwendbar ist. For the design of good application properties of the freewheeling diode various methods are described in the literature, optimize the opposite properties. It is known, that the recovery behavior by doping and dimensioning the high-resistance middle layer of the three-layer structure of the half conductor body is affected. It is also known that for Setting the local carrier life and thus to the leg flow of switching behavior in the sense of a change in Recovery behavior a proton radiation and / or loading radiation with helium cores is applicable.
Aus EP-B1-0 103 138 ist eine schnelle Leistungsdiode mit den Merkmalen des Oberbegriffs der Ansprüche 1 und 2 bekannt. Bei dieser Leistungsdiode dient die Aufteilung in zwei Diodenteilbereiche (I und II) dazu, einen Oberflächendurchbruch in dem einen Bereich (I) mit einer dünnen anodenseitigen Außenzone von 1 bis 2 nun zu vermeiden. Der Durchlaßstrom fließt im wesentlichen über diesen Teilbereich (I). One is known from EP-B1-0 103 138 fast power diode with the Features of the generic term of Claims 1 and 2 known. With this power diode, the Division into two diode sections (I and II) to a surface breakthrough in one area (I) with a thin outer zone on the anode side from 1 to 2 to avoid now. The forward current essentially flows over this section (I).
Ein Verfahren zur Herstellung einer vorzüglich für den hier beschriebenen Einsatz ausgebildeten schnellen Diode wird in DE-OS 38 23 795 beschrieben. Hier wird durch Veränderung der Emitterzone ein optimales Ergebnis bezüglich des Re covery-Verhaltens erzielt, die Dotierungskonzentration mit p-Dotanten wird hier entsprechend verändert.A method of making an excellent one for the here described use trained fast diode described in DE-OS 38 23 795. Here is through change the emitter zone an optimal result with respect to the Re achieved covery behavior, the doping concentration with p-dopants are changed accordingly here.
In DE-OS 36 31 136 ist eine andere Methode mit ähnlichem Wirkungseffekt gewählt, hier wird die Raumladungszone bei maximaler Sperrspannung bis nahe an die Emitterstruktur erstreckt.In DE-OS 36 31 136 is another method with the same Effect effect selected, here the space charge zone is at maximum reverse voltage up to close to the emitter structure extends.
In DE-OS 36 33 161 wird eine zur Kommutierung geeignete schnelle Leistungsdiode beschrieben, wobei insbesondere die Verbesserung des Recovery-Verhaltens Aufgabenstellung ist. Hier wird durch den Einbau von Defektelektronen auf der anodenseitigen p-Zone das gewünschte weiche Verhalten erzielt.DE-OS 36 33 161 is suitable for commutation described fast power diode, in particular the improvement of the recovery behavior is. This is due to the installation of defect electrons the desired soft behavior in the p-zone on the anode side achieved.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Vorteile eines niedrigen Durchlaßspannungsabfalles der Diode mit der des soft-recovery-Verhaltens zu verbinden und dabei eine Erniedrigung des Rückstromes bzw. der Sperrverzögerungs ladung zu erreichen.The invention is based on the object, the advantages a low forward voltage drop of the diode with that of to combine soft recovery behavior while doing a Lowering the reverse current or the blocking delay to reach charge.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der nebengeordnetens Ansprüche 1 und 2 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.The task is characterized by the characteristics of the subordinate Claims 1 and 2 solved. Advantageous further developments are in marked the subclaims.
In einem Dioden-Teilbereich (A) ist ein soft-recovery-Verhalten ausgebildet, während der andere Dioden-Teilbereich (B) ein snappiges Verhalten aufweist. Der erstgenannte Teilbereich (A) trägt nur einen geringen Teil des Vorwärtsstromes. Der Dioden-Teilbereich (B) mit dem snappigen Verhalten ist auf niedrigen Durchlaßspannungsabfall optimiert, er trägt den großen Anteil des Vorwärtsstromes. Durch das parallele Arbeiten der beiden Teilbereiche in der schnellen Leistungsdiode nach der Erfindung teilen sich nicht nur die Schaltungsverluste auf, sondern es ergeben sich ins gesamt wesentlich niedrigere Schaltverluste als bei vergleich baren Freilaufdioden.In a diode section (A) there is a soft recovery behavior formed, while the other diode portion (B) a snappy Behavior. The first named section (A) only wears one small part of the forward current. The diode section (B) with the snappy behavior is due to low forward voltage drop optimized, it carries the major part of the forward current. By working in parallel in the two areas fast power diode according to the invention do not share only the circuit losses, but it results in overall significantly lower switching losses than in comparison free freewheeling diodes.
Der zweite Dioden-Teilbereich (B) mit dem snappigen Verhalten kann einer schnellen pin-Diode gleichartig sein. Hier ist eine schmale n⁻-Zone denkbar, die Dotierung der Außenzonen ist auf optimalen Durchlaßspannungsabfall eingestellt.The second diode section (B) with the snappy behavior can similar to a fast pin diode. Here is one Narrow zone conceivable, the doping of the outer zones is open optimal forward voltage drop set.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 7 näher erläutert. Es zeigt:The invention is explained in more detail below with reference to FIGS. 1 to 7. It shows:
Fig. 1 eine Realisierungsform der Erfindung, hier ist ein Querschnitt durch den Halbleiterkörper im Ausschnitt an der Grenze der Teilbereiche (A und B) dargestellt. Fig. 1 shows an embodiment of the invention, here a cross section through the semiconductor body in the cutout at the boundary of the partial areas (A and B) is shown.
Fig. 2 zeigt eine andere Erfindungsvariante, es sind hier die Rekombinationszentren und Niveaus der Trägerlebensdauer veranschaulicht. Fig. 2 shows another variant of the invention, here the recombination centers and levels of carrier life are illustrated.
Fig. 3 zeigt in seinen drei Teilbildern weitere Varianten von Ausführungsbeispielen der Erfindung. Fig. 3 shows in its three fields further variants of embodiments of the invention.
Fig. 4 zeigt das Schaltbild einer Meßschaltung. Fig. 4 shows the circuit diagram of a measuring circuit.
Fig. 5 stellt Kurvenverläufe von Parametern der beiden Einzeldioden und der erfindungsgemäßen Diode dar. Fig. 5 shows curves represent parameters of the two individual diodes and the inventive diode.
Fig. 6 zeigt in Kurvenform den Verlauf des Gesamtstromes und der Teilströme in den beiden Teilbereichen (A und B) bei der Kommutierung. Fig. 6 shows in wave form the profile of the total flow, and the partial flows in the two partial regions (A and B) during the commutation.
Fig. 7 ist ein Ausschnitt aus Fig. 6 und stellt den Verlauf des Stromes in den beiden Teilbereichen (A und B) dar. Fig. 7 is a section of Fig. 6 and shows the course of the current in the two sub-areas (A and B).
In Fig. 1 ist in vergrößerter aber nicht maßstabsgerechter Darstellung ein Ausschnitt einer Diode im Querschnitt seines Halbleiterkörpers skizziert. Der Ausschnitt zeigt in ideali sierter Weise die Grenze zwischen beiden Diodenteilbereichen.In Fig. 1 in an enlarged but not to scale a section of a diode in the cross section is sketched his semiconductor body. The section ideally shows the boundary between the two diode subregions.
Der Dioden-Teilbereich (oder die Teilfläche) (A) besitzt das soft-recovery-Verhalten, das hier in der Hauptsache durch eine größere Weite der n⁻-Zone (3) erreicht wird. Die p-Dotierung (1) in dieser Teilfläche kann niedrig und mit einer geringen Eindringtiefe versehen sein, auch ist in diesem Teil ein abrupter pn-Übergang vorteilhaft.The diode partial area (or the partial area) (A) has the soft recovery behavior, which is mainly achieved here by a larger width of the n⁻ zone ( 3 ). The p-doping ( 1 ) in this partial area can be low and provided with a small penetration depth, and an abrupt pn transition is also advantageous in this part.
Der Dioden-Teilbereich (oder die Teilfläche) (B) weist durch eine dünnere n⁻-Zone (3) einen niedrigen Durchlaßspannungsabfall aus. Das p-Gebiet (2) wird vorteilhaft hoch dotiert (p⁺) und kann zusätzlich mit einem flachen Gradienten des Dotierprofiles am pn-Über gang versehen sein, wodurch die Sperrspannung erhöht wird.The diode section (or the section) (B) has a lower forward voltage drop due to a thinner n eine zone ( 3 ). The p-region ( 2 ) is advantageously highly doped (p⁺) and can additionally be provided with a flat gradient of the doping profile at the pn junction, which increases the reverse voltage.
Die Mittelzone des Halbleiterkörpers (3) ist vom n-Typ und niedrig dotiert. Ihre Weite ist für die Höhe der Sperrspan nung entscheidend. Wird aber in der Teilfläche (B) der Gradient des Dotierprofiles flach ausgebildet, kann hier die Sperrspannung erhöht werden. Die unterschiedliche Weite der Schicht mit der n⁻-Grunddotierung (3) in den Teilflächen (A mit größerer Weite und B mit kleinerer Weite) führt dazu, daß der Teilbereich (B) den größten Teil des Vorwärtsstromes trägt, aber ein snappiges Schaltverhalten aufweist. Der Bereich (A) dagegen weist ein softes Schaltverhalten auf. Durch eine n⁺-Diffusion wird die erste Außenzone (4) hoch dotiert, was eine Getterwirkung hat und zur Verbesserung des Weichheitsfaktors führt, also die geforderten Eigenschaften der schnellen Leistungsdiode verstärkt. Zur elektrischen Verbindung zu äußeren Anschlußelementen sind beide Dioden flächen (5, 6) metallisiert.The middle zone of the semiconductor body ( 3 ) is of the n-type and lightly doped. Their width is decisive for the level of the blocking voltage. However, if the gradient of the doping profile is made flat in the partial area (B), the reverse voltage can be increased here. The different width of the layer with the n⁻ basic doping ( 3 ) in the partial areas (A with a larger width and B with a smaller width) means that the partial area (B) bears most of the forward current, but has a snappy switching behavior. The area (A), on the other hand, has a soft switching behavior. The first outer zone ( 4 ) is highly doped by an n⁺ diffusion, which has a getter effect and leads to an improvement in the softness factor, that is to say reinforces the required properties of the fast power diode. For the electrical connection to external connection elements, both diode surfaces ( 5 , 6 ) are metallized.
Fig. 2 zeigt eine mögliche weitere Ausführungsform der Erfin dung. Dabei ist durch Bestrahlung mit Protonen oder Helium- Kernen lokal nur im Bereich (7) der Teilfläche (A) die Träger lebensdauer τ herabgesetzt. Das vertikale Profil der Träger lebensdauer τ in der Zone (3) der Teilfläche (A) ist schema tisch in Fig. 2b veranschaulicht. Dies führt zu einem soften Schaltverhalten der Diodenstruktur der Teilfläche (A). In der Teilfläche (B) dagegen ist eine im wesentlichen homogene Ver teilung der Rekombinationszentren gegeben (Fig. 2c) . Dabei kann es vorteilhaft sein, die Trägerlebensdauer τ in der Teil fläche (B) kleiner zu wählen, als in der Teilfläche (A) im Bereich der n⁻-Zone (3) in der Nähe des n/n⁺-Übergangsgebietes. Fig. 2 shows a possible further embodiment of the inven tion. The carrier lifetime τ is reduced locally by irradiation with protons or helium nuclei only in the area ( 7 ) of the partial area (A). The vertical profile of the carrier life τ in the zone ( 3 ) of the partial area (A) is schematically illustrated in Fig. 2b. This leads to a soft switching behavior of the diode structure of the partial area (A). In the sub-area (B), however, there is an essentially homogeneous distribution of the recombination centers ( FIG. 2c). It may be advantageous to choose the carrier life τ in the partial area (B) smaller than in the partial area (A) in the area of the n⁻ zone ( 3 ) near the n / n⁺ transition area.
Die Trägerlebensdauer der Teilfläche (B) ist beispielsweise durch Elektronenbestrahlung eingestellt, was bekanntlich zu einem homogenen Trägerlebensdauerprofil, aber gleichzeitig snappigem Schaltverhalten führt. Diese unterschiedlichen Teilvolumina bezüglich der Trägerlebensdauer sind über ent sprechende Absorbermasken mit Hilfe der Bestrahlungstechnolo gie herstellbar.The carrier life of the partial area (B) is, for example adjusted by electron radiation, which is known to a homogeneous vehicle life cycle profile, but at the same time snappy switching behavior leads. These different Partial volumes with regard to the carrier life are over ent speaking absorber masks with the help of radiation technology castable.
In Fig. 3 sind weitere Ausführungsformen der Erfindung darge stellt, wobei die Maßnahmen, wie sie zu in Fig. 1 und 2 dar gestellten Ausführungsformen führten, kombiniert wurden. In Fig. 3a ist durch das ganzflächige Einbringen von zu sätzlichen Rekombinationszentren (7) mittels Protonenbe strahlen oder Helium-Kern-Beschuß über die gesamte Dioden fläche die Trägerlebensdauer partiell herabgesetzt. Wird diese Bestrahlung so dimensioniert, daß die zusätzlichen Rekombinationszentren in der Teilfläche (A) nahe dem pn- Übergang liegen, so kann das weiche Recovery-Verhalten positiv beeinflußt werden. Während die bestrahlten Volumina in der Teilfläche (A) in dem Bereich der n⁻-Zone (3) liegen, also beispielhaft in einer Tiefe zwischen 12 µm und 40 µm, liegt das bestrahlte Feld in der Teilfläche (B) in der p⁺-Zone (2), also in einem Gebiet, in dem die dadurch gesenkte Trägerlebensdauer keine nennenswerten Parameteränderungen bewirkt, denn in diesem Gebiet existiert bereits durch die vorhergehende Diffusion eine sehr hohe Störstellendichte.In Fig. 3, further embodiments of the invention are Darge, the measures, as they led to the embodiments shown in Fig. 1 and 2, were combined. In Fig. 3a by the introduction of additional recombination centers ( 7 ) by means of proton radiation or helium core bombardment over the entire diode area, the carrier life is partially reduced. If this radiation is dimensioned such that the additional recombination centers in the partial area (A) are close to the pn junction, the soft recovery behavior can be positively influenced. While the irradiated volumes in the partial area (A) lie in the area of the n⁻ zone ( 3 ), for example at a depth between 12 µm and 40 µm, the irradiated field in the partial area (B) lies in the p⁺ Zone ( 2 ), that is to say in an area in which the resulting reduced carrier life does not cause any significant parameter changes, because in this area there is already a very high density of impurities due to the previous diffusion.
In Fig. 3b ist die Gesamtdicke des Halbleiterkörpers in der Teilfläche (A) größer als in der Teilfläche (B) . Das Einbrin gen der Rekombinationszentren durch Bestrahlen mit Protonen oder Helium-Kernen ist dargestellt, so daß in der Teilfläche (A) die Rekombinationszentren (7) in der Nähe des pn-Übergangs angeordnet sind, in der Teilfläche (B) dagegen der größere Teil der Zone (3) ausgefüllt ist. Dadurch entsteht in der Teil fläche (A) ein softes und in der Teilfläche (B) ein snappiges Schaltverhalten. Die Herstellung sieht technologisch einen selektiven Ätzschritt des Halbleiterkörpers vor der Erzeugung der p-Zone (2) vor. Alle weiteren Prozesse können ganzflächig durchgeführt werden. Damit wird die Herstellung dieser Struk tur mit dem geringsten technologischen Aufwand erreicht.In Fig. 3b, the total thickness of the semiconductor body in the partial area (A) is larger than in the partial area (B). The introduction of the recombination centers by irradiation with protons or helium nuclei is shown, so that in the partial area (A) the recombination centers ( 7 ) are arranged near the pn junction, in the partial area (B), however, the greater part of the Zone ( 3 ) is filled. This results in a soft switching behavior in the partial area (A) and a snappy switching behavior in the partial area (B). The production technologically provides for a selective etching step of the semiconductor body before the p-zone ( 2 ) is generated. All other processes can be carried out over the entire area. The production of this structure is thus achieved with the least technological effort.
In Fig. 3b ist die selektive Ätzung auf der Seite der später auszubildenden Anodenzone (2) durchgeführt, in Fig. 3c ist diese auf der Seite der später auszubildenden Kathode erfolgt. In FIG. 3b the selective etching is carried out on the side of the anode zone ( 2 ) to be formed later, in FIG. 3c this has been carried out on the side of the cathode to be formed later.
Optimiert werden die Parameterverteilungen durch die Kom bination der Maßnahmen, wie sie in der Fig. 3 dargestellt und bereits beschrieben wurden. Werden die Teilflächen (A) und (B) vervielfacht, indem die Einzelteilflächen verklei nert werden und somit in einer Diodenfläche ein Vielfaches von diesen Teilflächen Platz findet, so ergibt sich eine weitere vorteilhafte Verbesserung des Verhaltens der Ziel parameter. Die Aufteilung des Gesamtstromes auf die Teilflä chen kann durch die Flächenrelation der Teilflächen (A) zu (B) in der gewünschten Weise eingestellt werden. Auch durch den Einbau von entsprechenden Vorwiderständen ist eine Strom aufteilung in gewünschtem Sinne einstellbar. Vorteilhaft ist z. B. eine Aufteilung des Gesamtstromes zu weniger als ein Drittel im Bereich der Teilfläche (A), also im Bereich mit weichem Rückstromabklingen bei der Kommutierung.The parameter distributions are optimized by combining the measures, as they have been shown in FIG. 3 and have already been described. If the subareas (A) and (B) are multiplied by reducing the individual subareas and thus finding a multiple of these subareas in a diode area, there is a further advantageous improvement in the behavior of the target parameters. The distribution of the total current over the partial surfaces can be adjusted in the desired manner by the surface relation of the partial surfaces (A) to (B). Current distribution can also be set as required by installing appropriate series resistors. It is advantageous for. B. a division of the total current to less than a third in the area of the partial area (A), that is, in the area with soft reverse current decay during commutation.
Fig. 4 zeigt ein Schaltbild für die Freilaufdioden zur Mes sung der erzielten Parameter. Die beiden Teilflächen (A gleich 12 und B gleich 14) sind hier als zwei parallel geschaltete Dioden dargestellt. Mit dieser so dargestellten Diode ist eine Konstantstromquelle (16) und eine Konstantspannungsquelle (18) verbunden. Zwischen Konstantspannungsquelle (18) und Freilauf diode (12, 14) ist eine induktive bzw. gemischt ohmsch-induktive Last (20) und ein Schalter (22) vorgesehen. Die dargestellte Diode (12) ist die Diodenteilfläche (A) mit dem soft-recovery- Verhalten. Die dargestellte Diode (14) ist die Diodenteilflä che (B) mit dem snappigen Verhalten, dieser Teil ist auf nie drigen Durchlaßspannungsabfall und schnelles Schalten optimiert. Fig. 4 shows a circuit diagram for the freewheeling diodes for measurement of the achieved parameters. The two partial areas (A equal to 12 and B equal to 14 ) are shown here as two diodes connected in parallel. A constant current source ( 16 ) and a constant voltage source ( 18 ) are connected to this diode. An inductive or mixed ohmic-inductive load ( 20 ) and a switch ( 22 ) are provided between the constant voltage source ( 18 ) and the freewheeling diode ( 12 , 14 ). The diode ( 12 ) shown is the partial diode area (A) with the soft recovery behavior. The illustrated diode ( 14 ) is the Diod Teilflä surface (B) with the snappy behavior, this part is optimized for never-ending forward voltage drop and fast switching.
In Fig. 5 sind die gemessenen Werte der einzelnen Teilflächen und der kombinierten Diode dargestellt. Dabei zeigt Fig. 5a den zeitlichen Ablauf entscheidender Parameter der Diode, die nur aus dem Teilbereich (A) besteht. Mit der Kurve (24) wird der Verlauf des zeitlichen Stromflusses beim Abschalten in der Teilfläche (A) dargestellt. Der Verlauf der Kurve (26) gibt den gleichzeitigen Spannungsabfall wieder. Die bei diesem Schaltvorgang auftretenden Schaltverluste sind in Kurve (28) dargestellt.In Fig. 5, the measured values of the individual sub-areas and the combined diode are shown. Here, Fig 5a shows the timing. Decisive parameters of the diode, which only consists of the portion (A). The curve ( 24 ) shows the course of the current flow when switching off in the partial area (A). The course of the curve ( 26 ) shows the simultaneous voltage drop. The switching losses that occur during this switching process are shown in curve ( 28 ).
Fig. 5b zeigt die analogen Kurvenverläufe in einer Diode, die nur aus der Teilfläche (B) besteht, in vergleichbarem Maßstab. Die Kurve (30) gibt hier den zeitlichen Verlauf des Stromflus ses an, die Kurve (32) den Verlauf der Spannung und die Kurve (34) stellt die Verlustleistung in ihrem zeitlichen Verlauf dar. Das snappige Verhalten der Diode entsprechend der Teil fläche (B) in Fig. 5b ist deutlich anders, als das in Fig. 5a dargestellte Verhalten der soft arbeitenden Diode entspre chend dem Teilbereich (A). Fig. 5b shows the analog waveforms in a diode, which consists only of the partial area (B), on a comparable scale. The curve ( 30 ) indicates the time course of the current flow, the curve ( 32 ) the course of the voltage and the curve ( 34 ) represents the power loss in its time course. The snappy behavior of the diode according to the partial area (B ) in Fig. 5b is significantly different than the behavior of the soft-working diode shown in Fig. 5a accordingly the sub-area (A).
In Fig. 5c ist der analoge Kurvenverlauf dargestellt, wie er bei dem Zusammenwirken beider Diodenteile erscheint. Kurve (36) zeigt den Verlauf des Stromes über die Zeit, Kurve (38) den Spannungsabfall in der gleichen zeitlichen Folge und Kurve (40) gibt die auftretende Verlustleistung an. Aus Fig. 5c ist zu er kennen, daß die erfindungsgemäße Diode als Gesamtheit den Effekt einer soft arbeitenden Diode mit einer im Vergleich zu Fig. 5a (Teilfläche A) wesentlich kleineren Verlustleistung besitzt.In Fig. 5c, the analog waveform is illustrated as it appears in the interaction of the two diodes parts. Curve ( 36 ) shows the course of the current over time, curve ( 38 ) the voltage drop in the same time sequence and curve ( 40 ) indicates the power loss that occurs. It can be seen from FIG. 5c that the diode according to the invention as a whole has the effect of a soft-working diode with a power loss that is substantially smaller than that of FIG .
Fig. 6 zeigt die Aufteilung der elektrischen Ströme auf die beiden Diodenflächen (A) und (B) bzw. 12 und 14 der Fig. 4. Dabei gibt die Kurve (42) den zeitlichen Verlauf des Strom flusses in dem soft arbeitenden Diodenteil (Teilfläche A) an, während die Kurve (44) den in der Teilfläche (B) wiederspie gelt. In Kurve (46) ist endlich der Verlauf des Stromes in der erfindungsgemäßen Diode ersichtlich. Der Stromverlauf der Kurve (46) aus Fig. 6 entspricht dem der Kurve (36) der Fig. 5c. Fig. 6 shows the distribution of the electrical currents on the two diode areas (A) and (B) or 12 and 14 of Fig. 4. Here, the curve ( 42 ) gives the time course of the current flow in the soft-working diode part (partial area A) on, while curve ( 44 ) reflects that in partial area (B). Finally, curve ( 46 ) shows the course of the current in the diode according to the invention. The current profile of curve ( 46 ) from FIG. 6 corresponds to that of curve ( 36 ) from FIG. 5c.
In Fig. 7 ist der Maßstab vergrößert, um die Teilzeiten des Schaltvorganges besser zu erkennen. Dargestellt sind hier die Stromverläufe in den beiden Teilflächen im Parallelbetrieb in der Phase der Kommutierung. Dabei gibt die Kurve (48) den zeit lichen Verlauf in dem soft arbeitenden Diodenteil (A) und die Kurve (50) den Strom in dem snappigen Diodenteil (B) an. Zunächst wird der Strom in jeder der beiden Teilflächen mit 50 A/µs kommutiert. Kurve (48 - Teilfläche A) erreicht zuerst den Rückstromwendepunkt zum Zeitpunkt t1. Zu diesem Zeitpunkt ist die Teilfläche (A) der Diode bereit, Spannung aufzunehmen, wird aber durch den noch vorhandenen Stromfluß in Durchlaßrich tung in der anderen Teilfläche (B) daran gehindert. Das bedingt aber einen steileren Stromabfluß aus der Teilfläche (B) der Diode, wie das in Kurve (50) ab dem Zeitpunkt t1 ersichtlich ist. Bis zum Zeitpunkt t2 wird nun der Strom im Diodenteil (B) steil kommutiert, dabei klingt der Rückstrom in dem Teilbe reich (A) der Diode bereits ab. In der Teilfläche (A) geht der Rückstrom um den Betrag zurück, der von der zweiten Teil fläche (B) übernommen wird. Zum Zeitpunkt t2 ist der Dioden teil (B) frei von Überschußladungsträgern am pn-Übergang. Der Gesamtstrom der Diode ist während dieser Zeitspanne durch die äußere Schaltung aufgeprägt. Nach dem Zeitpunkt t2 zeigt der Diodenteil (B) einen scharfen Rückstromabriß. Das bewirkt je doch nur eine Verlagerung des elektrischen Stromes in die an dere Diodenteilfläche (A), die noch genügend Ladungsträger enthält. Zum Zeitpunkt t3 ist die Diodenteilfläche (B) bereits ausgeräumt, es tritt keine durch einen Stromabriß erzeugte Überspannung auf, da der Gesamtstrom nicht abreißt. Die anstei gende Spannung bewirkt in der Diodenteilfläche (A) ein Aus räumen der restlichen Ladungsträger. Dieser Verlauf ist bis zum Zeitpunkt t4 durch ein weiches Recovery-Verhalten bestimmt.In Fig. 7 the scale is enlarged in order to better recognize the part times of the switching process. The current profiles in the two sub-areas are shown here in parallel operation in the commutation phase. The curve ( 48 ) indicates the time course in the soft working diode part (A) and the curve ( 50 ) the current in the snappy diode part (B). First, the current is commutated in each of the two partial areas with 50 A / µs. Curve ( 48 - partial area A) first reaches the reverse flow reversal point at time t 1 . At this time, the partial area (A) of the diode is ready to take up voltage, but is prevented from doing so by the current flow in the forward direction in the other partial area (B). However, this requires a steeper current drain from the partial area (B) of the diode, as can be seen in curve ( 50 ) from time t 1 . Up to the time t 2 , the current in the diode part (B) is now commutated steeply, the reverse current already subsiding in the partial region (A) of the diode. In the partial area (A), the backflow decreases by the amount that is taken over by the second partial area (B). At time t 2 , the diode part (B) is free of excess charge carriers at the pn junction. The total current of the diode is impressed by the external circuit during this period. After the time t 2 , the diode part (B) shows a sharp reverse current stall. This only ever causes a shift of the electric current into the other partial diode area (A), which still contains enough charge carriers. At time t 3 , the partial diode area (B) has already been cleared, there is no overvoltage caused by a current stall, since the total current does not break off. The increasing voltage causes the remaining charge carriers to be cleared in the diode partial area (A). Up to the time t 4, this course is determined by a soft recovery behavior.
Durch diskreten Aufbau der Diodenteilflächen als separate Dioden wurde herausgefunden, daß die Sperrverzögerungsladung QRR der parallelgeschalteten Diodenteilflächen um mehr als die Hälfte gegenüber der der separaten Diodenteilfläche (A) redu ziert ist. Das wirkt sich direkt auf die Schaltverluste vor teilhaft aus, sie betragen vergleichsweise zu einer soft-recovery-Diode nur ca. 40%.By discrete construction of the diode patches as separate diodes, it was found that the reverse delay charge Q RR of the diode patches connected in parallel is reduced by more than half compared to that of the separate diode patch (A). This has a direct impact on the switching losses, compared to a soft recovery diode they are only around 40%.
Claims (9)
- - der eine Folge schichtförmiger Zonen aufweist, von welchen die hochohmige, mittlere Zone (3) einen ersten Leitungstyp (n-) besitzt,
- - der an der einen Seite mit einer hochdotierten, ersten Außenzone (4) vom ersten Leitungstyp (n⁺) versehen ist,
- - der an der anderen Seite mit einer zweiten Außenzone (1, 2) vom zweiten Leitungstyp (p) einen pn-Übergang einschließt,
- - bei dem die mittlere Zone (3) durch die Wahl der Dicke und Dotierkonzentration die definierte Sperrspannungsbelastbarkeit aufweist und
- - in dem zwei Diodenteilbereiche (A, B)
ausgebildet sind,
dadurch gekennzeichnet, daß - - der eine Diodenteilbereich (A) mittels einer weiten mittleren Zone als soft- recovery-Diode ausgebildet ist und
- - der andere Diodenteilbereich (B) auf niedrigen Durchlaßspannungsabfall ausgelegt ist, eine kleinere Weite der mittleren Zone im Vergleich zu dem einen Diodenteilbereich (A) besitzt und dadurch eine snappy- Diode ist, wobei
- - der einen Dioden-Teilbereich (A) einen Anteil von weniger als ¹/₃ des Durchlaßstromes trägt.
- - which has a sequence of layered zones, of which the high-resistance, central zone ( 3 ) has a first conduction type (n - ),
- - Which is provided on one side with a highly doped, first outer zone ( 4 ) of the first conductivity type (n⁺),
- - which on the other side includes a pn junction with a second outer zone ( 1 , 2 ) of the second conductivity type (p),
- - In which the middle zone ( 3 ) has the defined blocking voltage load capacity through the choice of the thickness and doping concentration and
- in which two diode subregions (A, B) are formed,
characterized in that - - The one diode partial region (A) is designed as a soft recovery diode by means of a wide central zone and
- - The other diode section (B) is designed for low forward voltage drop, has a smaller width of the central zone compared to the one diode section (A) and is therefore a snappy diode, wherein
- - The one diode portion (A) carries a share of less than ½ of the forward current.
- - der eine Diodenteilbereich (A) als soft-recovery-Diode ausgelegt ist, indem die Trägerlebensdauer in der mittleren Zone (3) uneinheitlich in unterschiedlichen Tiefen der Halbleiterzone ist, in der Nähe des pn-Überganges (Grenzfläche 1 zu 3) kleiner und in der Nähe des Überganges der mittleren Zone (3) zur ersten Außenzone (4) größer ist,
- - der andere Diodenteilbereich (B) auf niedrigen Durchlaßspannungsabfall ausgelegt und dadurch eine snappy- Diode ist, wobei
- - der eine Diodenteilbereich (A) einen Anteil von weniger als ¹/₃ des Durchlaßstromes trägt.
- - The one diode section (A) is designed as a soft recovery diode, in that the carrier life in the central zone ( 3 ) is non-uniform at different depths in the semiconductor zone, near the pn junction (interface 1 to 3) smaller and in the vicinity of the transition from the central zone ( 3 ) to the first outer zone ( 4 ) is greater,
- - The other diode section (B) designed for low forward voltage drop and is thereby a snappy diode, wherein
- - Which carries a diode section (A) a share of less than ½ of the forward current.
Priority Applications (1)
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| DE4135258A DE4135258C2 (en) | 1991-10-25 | 1991-10-25 | Fast power diode |
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| DE4135258A DE4135258C2 (en) | 1991-10-25 | 1991-10-25 | Fast power diode |
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