KR102372374B1 - 고속 및 소프트 회복 특성을 가진 하이브리드 다이오드 - Google Patents

고속 및 소프트 회복 특성을 가진 하이브리드 다이오드 Download PDF

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김소연
전지호
김수성
윤종만
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Abstract

고속 및 소프트 회복 특성을 가진 하이브리드 다이오드가 제공된다. 고속 및 소프트 회복 특성을 가진 하이브리드 다이오드는, 전류가 흐르는 경로를 형성하는 N형 드리프트층, 상기 N형 드리프트층의 상면으로부터 그 내부를 향해 연장되도록 형성된 P형 애노드, 상기 P형 애노드의 상면으로부터 그 내부를 향해 연장되도록 형성된 N형 영역, 상기 P형 애노드 및 상기 N형 영역에 오믹 접촉한 애노드 메탈층, 상기 N형 드리프트층의 하부에 교번하게 형성된 N+ 캐소드 및 P형 영역, 및 상기 N+ 캐소드 및 상기 P형 영역의 하부에 형성되며, 상기 N+ 캐소드 및 상기 P형 영역에 오믹 접촉한 캐소드 메탈층을 포함할 수 있다.

Description

고속 및 소프트 회복 특성을 가진 하이브리드 다이오드{Hybrid diode having fast and soft recovery}
본 발명은 고속 및 소프트 회복 특성을 가진 하이브리드 다이오드에 관한 것이다.
본 발명은, 한국산업기술평가관리원의 우수기술연구센터(ATC)사업(과제고유번호: 10076304, 연구과제명: 48V 기반 EV/HEV 대응 100V급 Trench MOSFET 기술 개발)의 결과물이다.
도 1은 순방향 및 역방향 바이어스가 인가된 다이오드를 나타낸 예시 도이다.
순방향 도통 상태에서 순방향 전류 IF 가 흐르는 다이오드에 순간적으로 역방향 바이어스가 인가되면 다이오드는 턴 오프되며, 순방향 전류 IF와 반대 방향으로 역방향 회복 전류 IR이 순시적으로 흐른다. 역방향 회복 전류 IR은 역방향 회복 시간 trr(reverse recovery time) 이후 사라진다. 역방향 회복 전류 IR은, 순방향 도통 상태에서 N 영역으로 이미 주입된 정공들이, 순방향 바이어스에서 역방향 바이어스로 변화함에 따라, 다시 P 영역으로 돌아가면서 생기는 전류 성분이다.
다이오드의 역방향 회복 특성은, 고속 회복 특성과 소프트 회복 특성을 지칭한다. 고속 회복 특성은, 통상적으로 역방향 회복 에너지 Erec로 표현되며, 역방향 회복 시간 trr, 역방향 회복 전하 Qrr, 역방향 회복 전류 IR 등으로 표현되기도 한다. 소프트 회복 특성은, 전압 오버슈트 및 오실레이션(즉, 잡음)에 관련되어 있다. 역방향 회복 에너지 및/또는 전압 오버슈트 및 오실레이션이 작을수록, 다이오드가 안정적인 조건에서 동작할 수 있다.
전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.
한국등록특허 제10-1378094호(고속 회복 다이오드)
본 발명은, 다이오드의 역방향 회복 전하를 감소시켜서 역방향 회복 구간에서 발생하는 역방향 회복 에너지가 감소된 특성을 갖는 하이브리드 다이오드를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은, 역방향 회복시 소프트 회복 특성을 구현하여 전압 오버슈트 및 오실레이션의 발생이 억제된 특성을 갖는 하이브리드 다이오드를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 고속 및 소프트 회복 특성을 가진 하이브리드 다이오드가 제공된다. 고속 및 소프트 회복 특성을 가진 하이브리드 다이오드는, 전류가 흐르는 경로를 형성하는 N형 드리프트층, 상기 N형 드리프트층의 상면으로부터 그 내부를 향해 연장되도록 형성된 P형 애노드, 상기 P형 애노드의 상면으로부터 그 내부를 향해 연장되도록 형성된 N형 영역, 상기 P형 애노드 및 상기 N형 영역에 오믹 접촉한 애노드 메탈층, 상기 N형 드리프트층의 하부에 교번하게 형성된 N+ 캐소드 및 P형 영역, 및 상기 N+ 캐소드 및 상기 P형 영역의 하부에 형성되며, 상기 N+ 캐소드 및 상기 P형 영역에 오믹 접촉한 캐소드 메탈층을 포함할 수 있다.
일 실시예로, 상기 N형 드리프트층의 하부 영역은 나머지 영역보다 높은 농도로 도핑될 수 있다.
일 실시예로, 복수의 N형 영역이 하나의 P형 애노드에 형성될 수 있다.
일 실시예로, 상기 P형 애노드는 복수이며, 서로 이격되어 형성될 수 있다.
일 실시예로, 상기 N+ 캐소드 및 상기 P형 영역은 단차를 가지도록 형성될 수 있다.
일 실시예로, 상기 P형 애노드는 상기 N형 드리프트층보다 높은 농도로 도핑되고, 상기 N형 영역은 상기 P형 애노드보다 높은 농도로 도핑되고, 상기 P형 영역은 상기 N0 버퍼층보다 높은 농도로 도핑되며, 상기 N+ 캐소드는 상기 P형 영역보다 높은 농도로 도핑될 수 있다.
일 실시예로, 역방향 바이어스 전압이 인가되면, 상기 N형 영역은, 전자를 주입하며, 상기 P형 영역은 정공을 주입할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 고속 및 소프트 회복 특성을 가진 하이브리드 다이오드 회로가 제공된다. 고속 및 소프트 회복 특성을 가진 하이브리드 다이오드 회로는, 제1 단자에 일단이 연결된 애노드 저항, 상기 애노드 저항의 타단에 애노드가 연결된 메인 다이오드, 상기 메인 다이오드의 캐소드에 일단이 연결되며, 타단은 제2 단자에 연결된 캐소드 저항, 상기 제1 단자에 에미터가 전기적으로 연결되고, 상기 애노드 저항의 타단과 상기 메인 다이오드의 애노드에 베이스가 연결된 NPN 트랜지스터, 상기 NPN 트랜지스터의 컬렉터에 일단이 연결된 드리프트 저항, 및 상기 드리프트 저항의 타단 및 상기 캐소드 저항의 일단에 캐소드가 연결되며, 애노드는 상기 제2 단자에 연결된 캐소드 다이오드를 포함할 수 있다.
일 실시예로, 상기 제1 단자와 상기 제2 단자 사이에 역방향 바이어스 전압이 인가되면, 상기 NPN 트랜지스터 및 상기 캐소드 다이오드는 턴온될 수 있다.
일 실시예로, 상기 NPN 트랜지스터가 상기 캐소드 다이오드보다 먼저 턴온될 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
본 발명의 실시예에 의하면, 역방향 회복 구간에서 발생하는 역방향 회복 에너지가 감소되어 다이오드에 의한 에너지 소모가 감소된다.
또한, 역방향 회복시 소프트 회복 특성으로 인해 전압 오버슈트 및 오실레이션의 발생이 억제된다.
도 1은 순방향 및 역방향 바이어스가 인가된 다이오드를 나타낸 예시도.
도 2는 본 발명에 의해 구현된 고속 회복 특성 및 소프트 회복 특성을 나타낸 그래프.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 다이오드의 구조를 나타낸 단면도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 다이오드를 테스트하기 위한 구성을 나타낸 회로도.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 다이오드의 순방향 도통 모드에서 역회복 모드의 ta 구간까지 고속 회복 특성을 설명하기 위한 도면.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 다이오드의 역회복 모드 tb 구간에서의 소프트 회복 특성을 설명하기 위한 도면.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 다이오드의 구조를 나타낸 단면도.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 요소 "위(on)"에 존재하는 것으로 또는 "위로(onto)" 확장되는 것으로 기술되는 경우, 그 요소는 다른 요소의 직접 위에 있거나 직접 위로 확장될 수 있고, 또는 중간의 개입 요소가 존재할 수도 있다. 반면에, 하나의 요소가 다른 요소 "바로 위(directly on)"에 있거나 "바로 위로(directly onto)" 확장된다고 언급되는 경우, 다른 중간 요소들은 존재하지 않는다. 또한, 하나의 요소가 다른 요소에 "연결(connected)"되거나 "결합(coupled)"된다고 기술되는 경우, 그 요소는 다른 요소에 직접 연결되거나 직접 결합될 수 있고, 또는 중간의 개입 요소가 존재할 수도 있다. 반면에, 하나의 요소가 다른 요소에 "직접 연결(directly connected)"되거나 "직접 결합(directly coupled)"된다고 기술되는 경우에는 다른 중간 요소가 존재하지 않는다.
"아래의(below)" 또는 "위의(above)" 또는 "상부의(upper)" 또는 "하부의(lower)" 또는 "수평의(horizontal)" 또는 "측면의(lateral)" 또는 "수직의(vertical)"와 같은 상대적인 용어들은 여기에서 도면에 도시된 바와 같이 하나의 요소, 층 또는 영역의 다른 요소, 층 또는 영역에 대한 관계를 기술하는데 사용될 수 있다. 이들 용어들은 도면에 묘사된 방향(orientation)에 부가하여 장치의 다른 방향을 포괄하기 위한 의도를 갖는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 실시예에 대해 관련 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명에 의해 구현된 고속 회복 특성 및 소프트 회복 특성을 나타낸 그래프로서, (a)는 공지 다이이오드의 역방향 회복 특성을, (b)는 본 발명에 의해 구현된 고속 회복 특성을, (c)는 본 발명에 의해 구현된 소프트 회복 특성을 각각 나타낸다.
(a)를 참조하면, 다이오드가 순방향 도통 상태에서 턴 오프되면, 다이오드를 흐르는 전류가 순방향에서 역방향으로 순시적으로 변한다. 역방향 회복 시간 trr은 역방향 전류 IR이 증가하는 시구간 ta와 감소하는 시구간 tb로 구분된다.
다이오드의 순방향 전압은, 턴 오프 후에도 일정 시간 동안 순방향 전압 강하 Vf를 유지한다. 한편, 다이오드의 역방향 전압은, 역방향 전류 IR이 최대가 되는 시점부터 급격히 증가하며, 시구간 tb의 종점 부근에서 감소한다. B로 표시된 부분에서 알 수 있듯이, 다이오드 양단에 인가된 역방향 전압으로 인해, 순방향 도통 상태보다 상대적으로 큰 역방향 회복 전력 손실이 시구간 tb에서 발생하게 된다. 또한, 시구간 tb로의 종점 부근부터 감소하기 시작하는 다이오드의 역방향 전압은, 시구간 tb의 길이가 짧을수록 오버슈트 및 오실레이션이 일어날 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 다이오드는, 역방향 회복시 빠른 회복을 위해 역방향 회복 전하 Qrr을 감소시켜서, 역박향 회복 구간에서 발생하는 역방향 회복 에너지 Erec를 감소시키며, 시구간 tb를 연장시켜서, 결과적으로, 오버슈트 및 오실레이션을 방지할 수 있다. 이를 통해, 하이브리드 다이오드는 안정적인 조건에서 동작할 수 있게 된다.
(b)를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 다이오드는, 역방향 회복 전류 IR을 감소시켜, 결과적으로 역방향 회복 전하 Qrr을 감소시킨다. 역방향 회복 전류 IR은 축적된 정공에 의해 발생하는데, 시구간 t a 에 속한 NPN 트랜지스터(도 3의 240)이 턴 온 되는 시점부터 전자가 다이오드에 주입되며, 주입된 전자가 정공과 재결합하면서, 역방향 회복 전류 IR의 최대값 IRM이 IRM'으로 감소하게 된다. 이로 인해, 하이브리드 다이오드의 역방향 회복 전하 Qrr'은, 공지의 다이오드의 역방향 회복 전하 Qrr보다 상대적으로 감소하게 된다. 이하에서 도 4 내지 도 6을 참조하여 상세히 설명한다.
(c)를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 다이오드는, 역방향 회복 전류 IR을 서서히 감소시킨다. 시구간 tb에 속한 정공주입 시점부터 캐소드에 연결된 P형 영역(도 3의 160)을 통해 정공이 주입되며, 이로 인해, 역방향 회복 전류 IR의 테일은 정공 주입이 없는 상황에 비하여 더욱 길어지게 된다. 이로 인해, 하이브리드 다이오드의 시구간 tb'은 공지의 다이오드의 시구간 tb보다 상대적으로 연장된다. 시구간 비율 tb/ta (softness factor)의 증가는, 다이오드 양단에 걸린 역방향 전압의 오버슈트 및 오실레이션을 감소시킨다. 이하에서 도 7 내지 도 8을 참조하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 다이오드의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 3을 참조하면, 하이브리드 다이오드(100)는, N형 드리프트층(110), P형 애노드(120), N형 영역(130), 애노드 메탈층(140), N0 버퍼층(150), P형 영역(160), N+ 캐소드(170) 및 캐소드 메탈층(180)을 포함한다.
N형 드리프트층(110)은 N형 도펀트로 도핑된 반도체이며, 전류가 통과하는 경로이다.
P형 애노드(120)는 N형 드리프트층(110)의 상면으로부터 그 내부를 향해 연장된다. P형 애노드(120)는 P형 도펀트를 N형 드리프트층(110)에 이온 주입 및 확산을 통하여 형성되며, P형 도펀트 농도는 N형 드리프트층(110)의 N형 도펀트 농도보다 상대적으로 높을 수 있다. 복수의 P형 애노드(120)는, 서로 이격되며, 대향하는 두 개의 P형 애노드(120) 사이의 N형 드리프트층(110)의 상면에는 절연층(Interlayer dielectric, ILD)이 배치될 수 있다.
N형 영역(130)은 P형 애노드(120)의 상면으로부터 그 내부를 향해 연장된다. N형 영역(130)은 소정의 애노드-캐소드 바이어스 조건하에서 전자를 공급하는 역할을 한다. N형 영역(130)이 전자를 공급하는 조건은, 이하 도 6을 참조하여 설명한다. N형 영역(130)은 N형 도펀트를 P형 애노드(120)에 이온 주입 및 확산을 통하여 형성되며, N형 도펀트 농도는 P형 애노드(120)의 P형 도펀트 농도보다 상대적으로 높을 수 있다.
애노드 메탈층(140)은, P형 애노드(120), N형 영역(130) 및 ILD의 상부에 형성된다. 애노드 메탈층(140)은 P형 애노드(120) 및 N형 영역(130)과 오믹 접촉한다.
N0 버퍼층(150)은, N형 드리프트층(110)의 하부에 배치되며, N형 드리프트층(110)에 형성된 공핍층이 하부로 확장되지 않도록 한다. N0 버퍼층(150)의 N형 도펀트 농도는, N형 드리프트층(110)의 N형 도펀트 농도보다 상대적으로 높을 수 있다.
P형 영역(160)과 N+ 캐소드(170)는, N0 버퍼층(150)의 하부에 교번하게 형성된다. 캐소드 메탈층(180)은 P형 영역(160)과 N+ 캐소드(170)의 하부에 형성되며, P형 영역(160)과 N+ 캐소드(170)과 오믹 접촉한다. P형 영역(160)은, 소정의 애노드-캐소드 바이어스 조건하에서 정공을 공급하는 역할을 한다. P형 영역(160)이 정공을 공급하는 조건은, 이하 도 8을 참조하여 설명한다. P형 영역(160)의 P형 도펀트 농도 및 N+ 캐소드(170)의 N형 도펀트 농도는 N0 버퍼층(150)의 N형 도펀트 농도보다 상대적으로 높으며, N+ 캐소드(170)의 N형 도펀트 농도는 P형 영역(160)의 P형 도펀트 농도보다 상대적으로 높을 수 있다.
상술한 단면 구조를 갖는 하이브리드 다이오드(100)는, 등가의 하이브리드 다이오드 회로(200)로 표현될 수 있다. 이하에서는, 하이브리드 다이오드(100)와 하이브리드 다이오드 회로(200)간 관계를 설명한다.
하이브리드 다이오드 회로(200)는, 제1 단자(즉, 애노드 메탈층)과 제2 단자(즉, 캐소드 메탈층) 사이에 직렬로 연결된 애노드 저항(210), 메인 다이오드(220), 캐소드 저항(230) 및 직렬로 연결된 NPN 트랜지스터(240), 드리프트 저항(250), 캐소드 다이오드(260)를 포함한다.
애노드 저항(210)은, P형 애노드(120)의 저항 성분이고, 캐소드 저항(230)은, N+ 캐소드(170)의 저항 성분이며, 드리프트 저항(230)은 N형 드리프트층(110)의 저항 성분이다. 애노드 저항(210)의 일단은 애노드 메탈층(140)에 전기적으로 연결되며, 타단은 메인 다이오드(220)의 애노드에 전기적으로 연결된다. 캐소드 저항(230)의 일단은 메인 다이오드(220)의 캐소드에 전기적으로 연결되며, 타단은 캐소드 메탈층(180)에 전기적으로 연결된다. 드리프트 저항(250)의 일단은 NPN 트랜지스터(240)의 컬렉터에 전기적으로 연결되며, 타단은 캐소드 다이오드(260)의 캐소드 및 캐소드 저항(230)의 일단에 전기적으로 연결된다.
메인 다이오드(220)는, P형 애노드(220)와 N형 드리프트층(110)에 의해 형성되며, 캐소드 다이오드(260)는, P형 영역(160)과 N0 버퍼층(150) 에 의해 형성된다. 캐소드 다이오드(260)는, 다이오드(100)의 순방향 바이어스 전압이 인가된 상태에서는 턴오프되며, 역방향 바이어스 전압이 인가되면 턴온된다. 턴온된 캐소드 다이오드(260)는 N형 드리프트층(110)내로 정공을 주입하는 역할을 한다.
NPN 트랜지스터(240)는, N형 영역(130), P형 애노드(120), 및 N형 드리프트층(110)에 의해 형성된다. NPN 트랜지스터(240)의 에미터는 애노드 메탈층(140)에 전기적으로 연결되고, 베이스는 애노드 저항(210)의 타단과 메인 다이오드(220)의 애노드에 전기적으로 연결되며, 컬렉터는 캐소드 다이오드(260)의 캐소드 및 캐소드 저항(230)의 일단에 전기적으로 연결된다. NPN 트랜지스터(240)는, 순방향 바이어스 전압이 인가된 상태에서는 턴오프되며, 역방향 바이어스 전압이 인가되면 턴온된다. 턴온된 NPN 트랜지스터(240)는, 전자를 주입하는 역할을 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 다이오드를 테스트하기 위한 구성을 나타낸 회로도이다.
도 4의 (a)를 참조하면, 테스트 회로(300)는, 펄스 발생기(310), 스위치(320), 인덕터(330) 및 하이브리드 다이오드(100)를 포함한다.
펄스 발생기(310)는, 스위치(320)를 온 오프하는 구동 신호 Vpulse를 생성하며, 스위치(320)는 구동 신호에 의해 턴온 또는 턴 오프한다. 스위치(320)는, 예를 들어, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)이며, 베이스는 펄스 발생기(310)에 전기적으로 연결되고, 컬렉터는 하이브리드 다이오드(100)의 애노드에 전기적으로 연결되며, 에미터는 접지에 연결된다. 하이브리드 다이오드(100)와 인덕터(330)는 구동 전압 Vcc 입력단과 스위치(320)의 컬렉터 사이에 병렬로 연결된다.
도 4의 (a)와 (b)를 함께 참조하여, 구동 신호 Vpulse에 의한 발생된 전류 ① 내지 ③을 설명한다.
초기의 구동 신호 Vpulse가 온되면, 하이브리드 다이오드(100)의 양단에는 역방향 전압 -Vcc가 인가되어 전류가 흐르지 않는다. 반면, 인덕터(330)를 흐르는 전류 ①이 직선적으로 증가하기 시작하여, 인덕터(330)에 에너지가 축적된다.
이후, 구동 신호 Vpulse가 오프되면, 인덕터(330)에 축적된 에너지에 의해 생성된 순방향 전류 ②가 하이브리드 다이오드(100)의 애노드에서 캐소드 사이를 흐른다. 전류 ②가 흐르면, 하이브리드 다이오드(100)의 양단 전압 VAK는 순방향 전압 강하 Vf로 유지된다.
이후, 구동 신호 Vpulse가 온되면, 하이브리드 다이오드(100)의 양단에 역방향 전압이 인가되어, 순시적으로 역방향 회복 전류가 발생하며, 이로 인해 스위치(310)를 흐르는 전류 ③은 인덕터(330) 에 축적되어 있는 전류와 하이브리드 다이오드(100)의 역회복 전류가 합쳐져서 흐르게 되며, 스위치(310)의 턴온 전류에는 하이브리드 다이오드(100)의 역회복 전류에 의한 오버슈트가 발생한다. 한편, 하이브리드 다이오드(100)의 양단 전압 VAK는, 역방향 회복 전류가 최대치를 지난 시점부터 급격히 -Vcc이하로 감소한다. 이후 오실레이션을 거쳐 -Vcc로 유지된다.
이하에서는, 순방향 바이어스가 인가된 상태를 나타내는 전류 ②와 역방향 바이어스가 인가된 상태를 나타내는 전류 ③이 흐르는 경우를 중심으로 설명한다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 다이오드의 순방향 도통 모드에서 역회복 모드의 ta 구간까지 고속 회복 특성을 설명하기 위한 도면이다. 이 구간에서 하이브리드 다이오드의 바이어스는 순방향 바이어스 상태로 유지된다.
도 5와 도 6을 함께 참조하면, (a)는 메인 다이오드(220)에 순방향 바이어스 전압이 인가된 상태를 나타낸다. 순방향 전류 IF는 애노드에서 캐소드 방향으로 흐른다.
(b)는 순방향 바이어스 전압이 외부의 역방향 바이어스 전압에 의해 줄어들기 시작하는 상태로, 애노드에서 캐소드 방향으로 흐르는 순방향 전류 IF가 감소한다.
(c)는 메인 다이오드(220) 에 흐르는 순방향 전류 IF 와 역방향 전류 IR 이 서로 상쇄되어 하이브리드 다이오드(100) 전체 전류가 0A인 상태를 나타낸다. 메인 다이오드(220)는 역방향 회복 모드에 진입하여, 역방향 회복 전류 IR이 생성된다. 이 때, 순방향 전류 IF와 역방향 회복 전류 IR은 실질적으로 동일할 수 있고, 외부로 흐르는 전류는 0A 일 수 있다.
(d)는 메인 다이오드(220)를 흐르는 역방향 회복 전류 IR을 나타낸다. N형 드리프트층(110)에 주입된 정공이 다시 P형 애노드(120)로 확산하면서, 역방향 회복 전류 IR이 흐르기 시작한다.
(e)는 역방향 회복 전류 IR이 증가하여 P형 애노드(120)내에 흐르는 전류를 나타낸다. 역방향 회복 전류 IR이 증가하면, 애노드 저항(210)에 의한 전압 강하가 발생하며, NPN 트랜지스터(240)의 턴온 전압(예를 들어, 0.7V) 이상이 되면, NPN 트랜지스터(240)가 턴온된다. 이로 인해, N형 영역(130)으로부터 P형 애노드(120)를 거쳐 N형 드리프트층(110)으로 전자가 주입되기 시작한다.
(f)는, 전자-정공 결합에 의해 감소한 역방향 회복 전류 IR을 나타낸다. 턴온된 NPN 트랜지스터(240)가 공급한 전자는, P형 애노드(120)와의 접합면(junction) 부근(110')의 N형 드리프트층(110)에 존재하는 정공과 결합하게 된다. 이로 인해, 애노드 구조, 즉, 애노드 저항(210)에 의해 턴온되어 전자를 공급하는 NPN 트랜지스터(240)가 없는 구조에 비해, 역방향 회복 전류 IR이 상대적으로 감소하게 되고, 결과적으로 Qrr 또한 감소하게 된다. (도 2의 Qrr 이 Qrr' 로 줄어 듬)
도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 다이오드의 역회복 모드 tb 구간에서의 소프트 회복 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 7 및 도 8을 함께 참조하면, 턴온된 NPN 트랜지스터(240)가 전자를 공급하여, 역방향 회복 전류 IR이 최대값 IRM' 이후 감소하기 시작하면, 메인 다이오드(220)의 양단에 본격적으로 역방향 바이어스 전압이 걸리게 된다. 즉, 메인 다이오드(220)는, 역방향 회복 모드 중 시구간 tb에 진입한다. 시간이 경과(tb1 -> tb2 -> tb3 -> tb4 -> tb5)하면서, 역방향 바이어스 전압이 증가하며 공핍층도 전압에 비례하여 팽창하게 된다.
시각 tb5 이후 하이브리드 다이오드(100)의 동작은 다음과 같다.
역방향 바이어스 전압에 의한 공핍층 확장하며, 하이브리드 다이오드(100) 내에 전계(400)가 형성된다. 형성된 전계(400)에 의해, N형 드리프트층(110) 내의 잉여 정공들은, P형 애노드으로 복귀하며, 이는 역방향 회복 전류 IR에 기여하게 된다.
한편, N형 드리프트층(110) 이외의 영역, 예를 들어, N0 버퍼층(150)에 존재하는 잉여 정공들(410)은, 재결합 수명시간(recombination lifetime)에 준하여 재결합하여 소멸되며, 이는 C로 표시된 부분에서와 같이, 역방향 회복 전류 IR의 테일 전류에 기여하게 된다. 테일 전류는, 시간이 지남에 따라 감소한다. 테일 전류의 크기와 지속시간은, 역방향 회복 특성의 소프트니스(Softness) tb/ta를 결정하는데 핵심적인 요소이다.
N+ 캐소드(170)와 교번하게 형성된 P형 영역(160)은, N0 버퍼층(150)에 추가적으로 정공(420)을 주입한다. 잉여 정공(410)의 재결합에 의해 발생한 테일 전류는, N+ 캐소드(170) 내에 전압 강하를 발생시킨다. 상세하게, 역방향 회복 전류 IR의 테일 전류에 의해 캐소드 저항(230)의 양단 전압이 0.7 V 이상으로 강하되면, 캐소드 다이오드(260)가 턴온된다. 턴온된 캐소드 다이오드(260)는, 추가 정공(420)을 N0 버퍼층(150)에 주입한다. 추가 정공(420)은, 재결합 수명시간이 경과하면, 재결합에 의해 소멸하여 테일 전류가 흐르는 시간을 연장시킨다. 이로 인해, 하이브리드 다이오드의 캐소드 구조는, 캐소드 저항(230)에 의해 턴온되어 정공을 공급하는 캐소드 다이오드(260)가 없는 구조에 비해, 테일 전류가 유지되는 시간이 상대적으로 증가하여 소프트 회복 특성 tb/ta가 증가될 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 다이오드의 구조를 나타낸 단면도이다. 도 3과 동일한 설명은 생략하고, 차이점을 중심으로 설명한다.
도 9의 (a)를 참조하면, 하이브리드 다이오드(101)는, N형 드리프트층(110), P형 애노드(121), N형 영역(130), 애노드 메탈층(140), N0 버퍼층(150), P형 영역(160), N+ 캐소드(170) 및 캐소드 메탈층(180)을 포함한다.
P형 애노드(121)는 N형 드리프트층(110)의 상면으로부터 그 내부를 향해 연장된다. P형 애노드(121)는 P형 도펀트를 N형 드리프트층(110)에 이온 주입 및 확산을 통하여 형성되며, P형 도펀트 농도는 N형 드리프트층(110)의 N형 도펀트 농도보다 상대적으로 높을 수 있다.
복수의 N형 영역(130)은 P형 애노드(121)의 상면으로부터 그 내부를 향해 연장된다. N형 영역(130)은 소정의 애노드-캐소드 바이어스 조건하에서 전자를 공급하는 역할을 한다. N형 영역(130)은 N형 도펀트를 P형 애노드(121)에 이온 주입 및 확산을 통하여, N형 도펀트 농도는 P형 애노드(121)의 P형 도펀트 농도보다 상대적으로 높을 수 있다.
도 9의 (b)를 참조하면, 하이브리드 다이오드(102)는, N형 드리프트층(110), P형 애노드(121), N형 영역(130), 애노드 메탈층(140), N0 버퍼층(150), P형 영역(160), N+ 캐소드(171) 및 캐소드 메탈층(180)을 포함한다.
P형 영역(160)과 N+ 캐소드(171)는, N0 버퍼층(150)의 하부에 교번하여 단차를 갖고 형성 될 수 있다. P형 영역(160)은 N0 버퍼층(150)의 배면에 이온 주입 및 저온 확산을 통하여 형성 하고 P형 영역(160)의 접합 깊이 이상으로 선택적 식각 공정을 진행 한 후 식각 된 영역에 N형 도펀트의 이온 주입을 통하여 N+ 캐소드(171)를 형성한다.
캐소드 메탈층(180)은 P형 영역(160)과 N+ 캐소드(171)의 하부에 형성되며, P형 영역(160)과 N+ 캐소드(171)과 오믹 접촉한다. P형 영역(160)은, 소정의 애노드-캐소드 바이어스 조건하에서 정공을 공급하는 역할을 한다. P형 영역(160)의 P형 도펀트 농도 및 N+ 캐소드(171)의 N형 도펀트 농도는 N0 버퍼층(150)의 N형 도펀트 농도보다 상대적으로 높으며, N+ 캐소드(171)의 N형 도펀트 농도는 P형 영역(160)의 P형 도펀트 농도보다 상대적으로 높을 수 있다.
상기에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 하이브리드 다이오드 110 : N형 드리프트층
120 : P형 애노드 130 : N형 영역
140 : 애노드 메탈층 150 : N0 버퍼층
160 : P형 영역 170 : N+ 캐소드
180 : 캐소드 메탈층 200 : 하이브리드 다이오드 회로
210 : 애노드 저항 220 : 메인 다이오드
230 : 캐소드 저항 240 : NPN 트랜지스터
250 : 드리프트 저항 260 : 캐소드 다이오드
300 : 테스트 회로 310 : 펄스 발생기
320 : 스위치 330 : 인덕터
400 : 전계 410 : 잉여 정공
420 : 추가 정공

Claims (10)

  1. 전류가 흐르는 경로를 형성하는 N형 드리프트층;
    상기 N형 드리프트층의 상면으로부터 그 내부를 향해 연장되도록 형성된 P형 애노드;
    상기 P형 애노드의 상면으로부터 그 내부를 향해 연장되도록 형성된 N형 영역;
    상기 P형 애노드 및 상기 N형 영역에 오믹 접촉한 애노드 메탈층
    상기 N형 드리프트층의 하부에 교번하게 형성된 N+ 캐소드 및 P형 영역; 및
    상기 N+ 캐소드 및 상기 P형 영역의 하부에 형성되며, 상기 N+ 캐소드 및 상기 P형 영역에 오믹 접촉한 캐소드 메탈층을 포함하는, 고속 및 소프트 회복 특성을 가진 하이브리드 다이오드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 N형 드리프트층의 하부 영역은 나머지 영역보다 높은 농도로 도핑되는, 고속 및 소프트 회복 특성을 가진 하이브리드 다이오드.
  3. 제1항에 있어서,
    복수의 N형 영역이 하나의 P형 애노드에 형성되는, 고속 및 소프트 회복 특성을 가진 하이브리드 다이오드.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 P형 애노드는 복수이며, 서로 이격되어 형성되는, 고속 및 소프트 회복 특성을 가진 하이브리드 다이오드.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 N+ 캐소드 및 상기 P형 영역은 단차를 가지도록 형성되는, 고속 및 소프트 회복 특성을 가진 하이브리드 다이오드
  6. 제1항에 있어서,
    상기 N형 드리프트층과 상기 N+ 캐소드 및 상기 P형 영역 사이에 배치된 N0 버퍼층을 더 포함하되,
    상기 P형 애노드는 상기 N형 드리프트층보다 높은 농도로 도핑되고,
    상기 N형 영역은 상기 P형 애노드보다 높은 농도로 도핑되고,
    상기 N0 버퍼층은 상기 N형 드리프트층보다 높은 농도로 도핑되고,
    상기 P형 영역은 상기 N0 버퍼층보다 높은 농도로 도핑되며,
    상기 N+ 캐소드는 상기 P형 영역보다 높은 농도로 도핑되는, 고속 및 소프트 회복 특성을 가진 하이브리드 다이오드.
  7. 제1항에 있어서,
    역방향 바이어스 전압이 인가되면, 상기 N형 영역은, 전자를 주입하며, 상기 P형 영역은 정공을 주입하는, 고속 및 소프트 회복 특성을 가진 하이브리드 다이오드.
  8. 제1 단자에 일단이 연결된 애노드 저항;
    상기 애노드 저항의 타단에 애노드가 연결된 메인 다이오드;
    상기 메인 다이오드의 캐소드에 일단이 연결되며, 타단은 제2 단자에 연결된 캐소드 저항;
    상기 제1 단자에 에미터가 전기적으로 연결되고, 상기 애노드 저항의 타단과 상기 메인 다이오드의 애노드에 베이스가 연결된 NPN 트랜지스터;
    상기 NPN 트랜지스터의 컬렉터에 일단이 연결된 드리프트 저항; 및
    상기 드리프트 저항의 타단 및 상기 캐소드 저항의 일단에 캐소드가 연결되며, 애노드는 상기 제2 단자에 연결된 캐소드 다이오드를 포함하는, 고속 및 소프트 회복 특성을 가진 하이브리드 다이오드 회로.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 단자와 상기 제2 단자 사이에 역방향 바이어스 전압이 인가되면, 상기 NPN 트랜지스터 및 상기 캐소드 다이오드는 턴온되는, 고속 및 소프트 회복 특성을 가진 하이브리드 다이오드 회로.
  10. 제9항에 있어서, 상기 NPN 트랜지스터가 상기 캐소드 다이오드보다 먼저 턴온되는, 고속 및 소프트 회복 특성을 가진 하이브리드 다이오드 회로.
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