续流二极管和缓冲二极管结构和原理

现代的快速半导体开关需要续流二极管。在许多有电感负载的实际应用中，在每次关断时，存储能量就通过续流二极管换流释放掉。为了不产生感应的电压上升峰值和高频率的震荡，这种放电应该是平滑和柔软的。我们把这种二极管称为软性恢复二极管。续流二极管会影响到半导体开关的性能。在设计开关时必须要统筹考虑。快速功率二极管一般分为两种：肖特基二极管和pin二极管，其中pin二极管有分为外延生长型或扩散型。

图 2.3.1 肖特基二极管和pin外延生长型二极管和pin扩散型二极管 a）结构 b)掺杂度

肖特基二极管

肖特基二极管有一层金属－半导体过渡截止层。在导通时只要一个很小的电位差(硅材料大约0,3V）就能突破。它相对pin二极管中因为扩散而出现在pn结的电压(硅材料大约0,7V)要小，所以对薄的n-型半导体层，肖特基二极管的通态压降要低于pin二极管。在n型掺杂的半导体中只有电子流动形成电流(单极性)。在实际中当接近这个截止电压时，电流 增加很快。这就必须考虑它的瞬间功耗，否则就谈不上热稳定性。
当开关从导通到关断的过程中，最理想的是在空间电荷区只有一个很小存储能量。肖特基二极管的存储电荷能量只有pin二极管的大约百分之十，所以产生很小的功耗。它很接近理想的二极管，所以常常作为开关二极管被用于较高的开关频率和作为缓冲二极管用于较低的通态压降的实际应用中。对于硅材料这种优势仅限于在电压低于100V时。对于更高的电压必须增加n-型半导体的厚度，同时就会使通态压降增高很多。在这种电压范围内将采用一些能耐高场强的材料，比如砷化镓(GaAs，<= 600 V)和碳化硅(SiC，<=1700 V)。它们有同pin二极管相似的导通特性，所以保持了半导体开关的优势。但它们的基本材料和制造费用相当高昂，往往被用在一些特殊的场合，比如要求很高的效率，很高的开关频率和很高的温度的场合。
Pin二极管

外延结晶型
在电压超过100V时，pin二极管就有明显优势。在现在的二极管制造技术中，中间的半导体层不再是本征半导体，而是相对外部半导体掺杂度很低的n-型半导体。二极管的外延技术是在高掺杂的n+型半导体基板上外延结晶一层n半导体(见图2.3.1)，然后再扩散到p型半导体区。用这种方法可以获得很薄的厚度wB，大约在几微米的数量级。通过引进再结合(中心)层(大部分采用金属金)能制造出很快的二极管。因为厚度wB很薄，虽然增加了再结合层，但通态压降仍然很低。当然，通态压降总是大于pn结的扩散势垒(0,6到0.8V)。外延型二极管主要应用在电压范围在100V到600V之间。有些制造商造出了耐压在1200V的外延型二极管。

轴向寿命控制方案

当耐压超过1000V时，n-区的宽度就很大，它只能用扩散性PIN二极管(图2.3.1,右)来实现。它是在n-性材料的基板上(晶片)，扩散形成p-区和n+区。同样引进再结合(中心)层，通过移植质子或He++离子会形成同图2.3.2相类似的再结合曲线。在移植加工时需要使用在10 MeV范围的粒子加速器。

图 2.3.2 通过照射形成再结合层的密度曲线
当再结合层的密度峰值在pn结上是最佳选择。 [文献6]中指出了，当再结合层越靠近pn结，反向电流的峰值和 通态压降的关系越好。在导通时的n--n+-过渡层，我们可以得到一个反向的高密度的电荷分布图。在图2.3.3表示了再结合层的峰值是在p区靠近pn结的一侧，这样可以降低截止电流。He++离子的移植可以与基本电荷载子的寿命调节相结合，通过电子辐射来实现。