1.2 電力二極管

半導(dǎo)體二極管是開(kāi)通與關(guān)斷均不可控的半導(dǎo)體器件，稱為不控型或非控型器件。用于電力變換和電力控制電路中的半導(dǎo)體二極管，其電壓、電流的額定值較大，即容量較大，這類半導(dǎo)體二極管稱為半導(dǎo)體電力二極管。

電力二極管是電力電子器件中結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單、應(yīng)用最廣泛的一種器件，是不控整流的核心器件，目前已形成普通型、快恢復(fù)型和肖特基型等系列產(chǎn)品。電力二極管可改善各種電力電子電路的性能、降低電路損耗和提高電能使用效率。目前的電力開(kāi)關(guān)器件體積較小，自身的散熱能力也較小，故必須安裝相應(yīng)的散熱器進(jìn)行散熱。

1.2.1 PN結(jié)的形成

完全純凈結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體稱為本征半導(dǎo)體。常溫下本征半導(dǎo)體可以激發(fā)出少量的自由電子（帶負(fù)電），并同時(shí)出現(xiàn)相應(yīng)數(shù)量的空穴（帶正電），這兩種不同極性的帶電粒子統(tǒng)稱為載流子。空穴的出現(xiàn)是半導(dǎo)體區(qū)別于導(dǎo)體的一個(gè)顯著特點(diǎn)。本征半導(dǎo)體內(nèi)，載流子數(shù)量極少，導(dǎo)電能力很差。溫度對(duì)半導(dǎo)體內(nèi)載流子濃度影響很大，溫度升高，載流子濃度隨之增大，從而半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力隨溫度的升高而顯著增強(qiáng)，這是半導(dǎo)體的一個(gè)重要特性。在本征半導(dǎo)體內(nèi)摻入微量的雜質(zhì)，半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力就會(huì)發(fā)生顯著的變化，這種半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體分為電子型（N型）半導(dǎo)體和空穴型（P型）半導(dǎo)體兩類。N型半導(dǎo)體中的雜質(zhì)為五價(jià)元素，如磷，它使半導(dǎo)體增加許多自由電子，導(dǎo)致自由電子數(shù)遠(yuǎn)大于空穴數(shù)，此類半導(dǎo)體中自由電子為多數(shù)載流子（簡(jiǎn)稱多子），空穴為少數(shù)載流子（簡(jiǎn)稱少子）。P 型半導(dǎo)體中的雜質(zhì)為三價(jià)元素如硼，它使半導(dǎo)體增加了許多空穴，導(dǎo)致空穴數(shù)遠(yuǎn)大于自由電子數(shù)，此類半導(dǎo)體中空穴為多數(shù)載流子，自由電子為少數(shù)載流子。

將N型半導(dǎo)體與P型半導(dǎo)體結(jié)合起來(lái)，在其接觸交界面處兩側(cè)，由于電子及空穴的濃度差別，載流子在無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)中，將由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)擴(kuò)散，電子從N區(qū)向P區(qū)擴(kuò)散，空穴從P區(qū)向N區(qū)擴(kuò)散。電子離開(kāi)N區(qū)后，留下不能移動(dòng)的正離子，形成了帶正電荷的區(qū)域；空穴離開(kāi)P區(qū)后，留下不能移動(dòng)的負(fù)離子，形成了帶負(fù)電荷的區(qū)域。這樣在接觸界面兩側(cè)由不能移動(dòng)的正負(fù)離子形成空間電荷區(qū)，形成了由N區(qū)指向P區(qū)的電場(chǎng)，稱為內(nèi)電場(chǎng)。內(nèi)電場(chǎng)阻止載流子擴(kuò)散，但可以幫助載流子進(jìn)行漂移，即電子逆內(nèi)電場(chǎng)方向由P區(qū)漂移回N區(qū)，空穴沿內(nèi)電場(chǎng)方向由N區(qū)漂移回P區(qū)，漂移運(yùn)動(dòng)與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)方向相反。當(dāng)兩者達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，就形成了一個(gè)穩(wěn)定的空間電荷區(qū)，這個(gè)空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)，如圖1.1所示。在空間電荷區(qū)內(nèi)，多數(shù)載流子已擴(kuò)散到對(duì)方并被復(fù)合，因此空間電荷區(qū)又稱為耗盡層；空間電荷區(qū)的內(nèi)電場(chǎng)對(duì)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)起阻擋作用，故空間電荷區(qū)又稱為阻擋層。內(nèi)電場(chǎng)的存在說(shuō)明N區(qū)電位高于P區(qū)電位，這個(gè)電位差是由于電子勢(shì)能變化引起的，稱為接觸電位差。電子要從N區(qū)到P區(qū)必須越過(guò)這個(gè)被稱為勢(shì)壘的能量高坡，因此又把空間電荷區(qū)稱為勢(shì)壘區(qū)。

1.2.2 PN結(jié)的單向?qū)щ娦耘c反向擊穿

1.PN結(jié)的重要特征是單向?qū)щ娦?/h4>

當(dāng)PN結(jié)加上正向外電壓，即外電壓正端接P區(qū)，負(fù)端接N區(qū)時(shí)，外加電場(chǎng)與PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向相反，PN 結(jié)變窄，表現(xiàn)為一個(gè)很小的電阻，可以流過(guò)較大的正向電流，稱為正向?qū)ā．?dāng)PN結(jié)加上反向外電壓，即外電壓的正端接N區(qū)，負(fù)端接P區(qū)時(shí)，外加電場(chǎng)與 PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向一致，使PN結(jié)變寬，表現(xiàn)為一個(gè)很大的電阻，這時(shí)反向飽和電流只有微安數(shù)量級(jí)，可以認(rèn)為沒(méi)有電流流過(guò)，稱為反向截止。這就是PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕鐖D1.2所示。

圖1.2 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

2.PN結(jié)的反向擊穿

PN結(jié)具有一定的反向耐壓能力，如果反向電壓增加過(guò)大，達(dá)到反向擊穿電壓時(shí)，反向電流將會(huì)急劇增大，這種狀態(tài)稱為反向擊穿。反向擊穿有時(shí)會(huì)造成PN結(jié)損壞。PN結(jié)反向擊穿有三種類型：雪崩擊穿、齊納擊穿和熱擊穿。

（1）雪崩擊穿

當(dāng)加于PN結(jié)的反向電壓增加時(shí)，使空間電荷區(qū)的電場(chǎng)強(qiáng)度增大，通過(guò)空間電荷區(qū)的電子和空穴的漂移運(yùn)動(dòng)被加速，其動(dòng)能增大。這些高能量、高速度的載流子不斷地與晶體原子相碰撞，可使共價(jià)鍵中的原子激發(fā)形成自由電子空穴對(duì)，這種現(xiàn)象稱為碰撞電離。新產(chǎn)生的載流子在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下也被加速，并重新獲得能量，產(chǎn)生新的碰撞電離，導(dǎo)致載流子迅速成倍地增加，故稱為雪崩倍增效應(yīng)又稱雪崩擊穿。一旦發(fā)生雪崩倍增現(xiàn)象，載流子濃度將急劇增加，使反向電流急劇增大，從而導(dǎo)致PN結(jié)反向擊穿。

（2）齊納擊穿

齊納擊穿又稱隧道擊穿，它與雪崩擊穿的性質(zhì)完全不同，它是在比較低的反向電壓下發(fā)生的擊穿。在高摻雜濃度的PN結(jié)中，P區(qū)與N區(qū)之間空間電荷區(qū)反向電場(chǎng)較強(qiáng)，再如上反偏電壓使電場(chǎng)強(qiáng)度增加，進(jìn)一步增強(qiáng)了P區(qū)中的一些電子穿過(guò)空間電荷區(qū)（稱為隧道效應(yīng)）進(jìn)入 N 區(qū)變?yōu)樽杂呻娮拥哪芰Γ⑿纬煞聪螂娏鳎窗l(fā)生齊納擊穿。齊納擊穿主要決定于空間電荷區(qū)內(nèi)的最大電場(chǎng)。齊納擊穿多發(fā)生在摻雜濃度高的特殊器件中。

（3）熱擊穿

上述兩種擊穿過(guò)程都是可逆的。只要在外電路中采取適當(dāng)措施，把反向電流限制在一定范圍內(nèi)，保證功耗不超過(guò)PN結(jié)容許的耗散功率，那么當(dāng)反向電壓降低后PN結(jié)仍可恢復(fù)原來(lái)的狀態(tài)。如果超過(guò)了容許的耗散功率，就會(huì)因熱量散發(fā)不出去而導(dǎo)致PN結(jié)溫度上升，直至過(guò)熱而燒毀，這種現(xiàn)象稱為熱擊穿。熱擊穿必須盡可能地避免。

3.PN結(jié)的電容效應(yīng)

PN結(jié)中的電荷量隨外加電壓而變化，呈現(xiàn)電容效應(yīng)，稱為結(jié)電容CJ。結(jié)電容影響PN結(jié)的工作頻率，特別是在高速開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)，使其單向?qū)щ娦宰儾睿踔敛荒芄ぷ鳌N結(jié)電容是由性質(zhì)不同的勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容共同造成的。

（1）勢(shì)壘電容CB

PN結(jié)交界處形成的空間電荷區(qū)即勢(shì)壘區(qū)，如同平行板電容器的極板，可以進(jìn)行充放電。當(dāng)PN結(jié)兩端電壓變化時(shí)，將引起PN結(jié)空間電荷區(qū)的改變，表現(xiàn)為電容效應(yīng)，用勢(shì)壘電容CB來(lái)描述。當(dāng)PN結(jié)處于正向偏置狀態(tài)且電壓升高時(shí)，N區(qū)和P區(qū)中的多數(shù)載流子進(jìn)入空間電荷區(qū)，使空間電荷區(qū)變窄，稱為載流子的存儲(chǔ)效應(yīng)。存儲(chǔ)電荷量隨正偏壓的增加而增加，相當(dāng)于充電。當(dāng)外加正向電壓降低時(shí)，會(huì)有一部分載流子離開(kāi)PN結(jié)，相當(dāng)于放電。勢(shì)壘電容不是一個(gè)固定不變的值，其大小隨外加電壓而改變。勢(shì)壘電容只在外加電壓變化時(shí)才起作用，外加電壓頻率越高，勢(shì)壘電容的作用越顯著。勢(shì)壘電容CB的大小與PN結(jié)截面積成正比，與阻擋層厚度成反比。

（2）擴(kuò)散電容CD

PN結(jié)的正向電流是由P區(qū)中的空穴和N區(qū)中的電子相互擴(kuò)散形成的。當(dāng)PN結(jié)外加正向電壓時(shí)，大量電子由N區(qū)進(jìn)入P區(qū)，空穴由P區(qū)進(jìn)入N區(qū)。但電子進(jìn)入P區(qū)后并不立即與空穴復(fù)合而消失，而是在靠近耗盡層的一定距離內(nèi)（通常稱為擴(kuò)散長(zhǎng)度）與空穴復(fù)合的同時(shí)繼續(xù)擴(kuò)散，空穴進(jìn)入N區(qū)后亦然。可見(jiàn)在擴(kuò)散長(zhǎng)度內(nèi)存儲(chǔ)了一定數(shù)量的電荷，正向電流越大，存儲(chǔ)電荷越多。它們隨正向電壓的變化亦具有電容的性質(zhì)，稱為擴(kuò)散電容CD。

綜上所述，PN結(jié)電容CJ的兩種成分在不同外加電壓條件下所占的比重不同。在正向偏置狀態(tài)下，當(dāng)正向電壓較低時(shí)，因擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)較弱，擴(kuò)散電容較小，勢(shì)壘電容占主要成分；正向電壓較高時(shí)，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加劇，擴(kuò)散電容成為PN結(jié)電容的主要成分。在反向偏置狀態(tài)下，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)被抑制，因而表現(xiàn)出較小的擴(kuò)散電容，因此結(jié)電容以勢(shì)壘電容為主。

1.2.3 二極管的特性與參數(shù)

功率二極管是由一個(gè)面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成的，也有模塊式結(jié)構(gòu)。由于功率二極管流過(guò)很大電流，其中引線、焊接電阻壓降等都有明顯影響，同時(shí)為了提高耐壓，摻雜濃度低也造成壓降較大。

1.伏安特性

功率二極管的電路符號(hào)及伏安特性如圖1.3所示。

當(dāng)加于二極管的正向電壓上升到一定值后，正向電流才開(kāi)始明顯增加，二極管導(dǎo)通。此時(shí)所對(duì)應(yīng)的正向電壓UT0叫做二極管的門檻電壓。二極管導(dǎo)通時(shí)的正向電流IF由外部電路決定，與IF相對(duì)應(yīng)的二極管兩端間的電壓UF即為正向電壓降。顯然，門檻電壓UT0小于二極管的穩(wěn)態(tài)正向電壓降 UF。電力二極管伏安特性于導(dǎo)通時(shí)的管壓降，大電流硅電力二極管約為1V或略大于1V，小電流硅二極管約為0.7V，鍺二極管約為0.3V。

當(dāng)二極管施加反向電壓時(shí)，只有少數(shù)載流子引起的微小且數(shù)值恒定的反向漏電流。由于PN結(jié)漏電流與溫度有關(guān)，隨溫度升高而升高。所以二極管正向特性也與溫度有關(guān)。當(dāng)溫度升高時(shí)，二極管正向特性向左平移。

2.開(kāi)關(guān)特性

當(dāng)二極管加正向電壓處于穩(wěn)定的導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，二極管流過(guò)正向電流，PN結(jié)結(jié)電容充有一定量電荷，若外加電壓反向，正向電流下降到零時(shí)，因結(jié)電容儲(chǔ)存的電荷需要一定的釋放時(shí)間，二極管不能立即截止，直至PN結(jié)存儲(chǔ)電荷全部放出，二極管才能恢復(fù)截止?fàn)顟B(tài)。從加于空間電荷區(qū)的正向電壓減小為零，到空間電荷區(qū)的載流子濃度開(kāi)始衰減的這段時(shí)間稱為延遲時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)二極管PN結(jié)仍保持導(dǎo)通狀態(tài)，反向電流較大。此后，空間電荷區(qū)的載流子濃度進(jìn)一步減小，開(kāi)始承受反向電壓，PN結(jié)變?yōu)榉聪蚱脿顟B(tài)，反向電流明顯下降，反向電壓降上升，反向電流減小到等于反向飽和電流，此時(shí)二極管完全恢復(fù)到截止?fàn)顟B(tài)，這段時(shí)間時(shí)間稱為電流下降時(shí)間。二極管的反向恢復(fù)時(shí)間等于延遲時(shí)間與下降時(shí)間之和，反向恢復(fù)時(shí)間對(duì)二極管的工作頻率具有決定性的意義，它限制了二極管的開(kāi)關(guān)速度。

當(dāng)二極管已處于穩(wěn)定的反向偏置狀態(tài)，此時(shí)勢(shì)壘電容已充有一定電荷，使阻擋層變厚。若突然加正向電壓，在迫使二極管正向?qū)ǖ倪^(guò)程中，要讓二極管的PN結(jié)變?yōu)檎蚱茫仨毾葘⒊淙雱?shì)壘電容中的電荷放掉，并且只有當(dāng)正向電壓上升到門檻電壓以上時(shí)，PN結(jié)才會(huì)有正向電流流過(guò)，這一過(guò)程所需要的時(shí)間稱為正向恢復(fù)時(shí)間。正向恢復(fù)時(shí)間同樣也限制了正向電流上升速率和開(kāi)關(guān)速度。

3.性能參數(shù)

（1）額定正向平均電流。IF二極管長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，允許通過(guò)的最大正向平均電流。其定額方法是在指定殼溫、規(guī)定散熱條件下二極管流過(guò)工頻正弦半波的平均電流，在該電流下由于二極管的正向壓降引起的損耗使結(jié)溫升高不超過(guò)最高允許結(jié)溫。由此定額方法可知，正向電流是按發(fā)熱條件定義的，在應(yīng)用中應(yīng)按有效值相等條件來(lái)選取二極管定額。

（2）反向重復(fù)峰值電壓URRM。二極管反向所能施加的最高峰值電壓。通常是反向雪崩擊穿電壓 UB的 2/3。使用時(shí)，通常按電路中二極管可能承受的最高峰值電壓的兩倍來(lái)選取二極管定額。

（3）最高允許結(jié)溫TJM

結(jié)溫是指整個(gè)PN結(jié)的平均溫度，最高允許結(jié)溫是指在PN結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度。最高允許結(jié)溫TJM通常在125～175℃范圍之內(nèi)。

（4）反向恢復(fù)時(shí)間trr

反向恢復(fù)時(shí)間是指從二極管正向電流過(guò)零到反向電流下降到其峰值10%時(shí)的時(shí)間間隔。它與反向電流上升率、結(jié)溫、開(kāi)關(guān)前的最大正向電流等因素有關(guān)。

1.2.4 二極管的分類

具有單向?qū)щ娞匦缘亩O管在不同的電路中起著不同的作用，例如，在交流—直流變換中作為整流器件，在電感濾波及具有電感元件的電路中作為續(xù)流元件，在晶閘管逆變電路中作為反向充電和能量傳輸元件，在各類變換器中作為隔離、箝位、保護(hù)元件等。由二極管的工作速度來(lái)決定它的適用范圍，如在工頻整流電路中，基本上對(duì)二極管開(kāi)關(guān)速度沒(méi)有什么要求，而在高頻變流器中就必須采用恢復(fù)時(shí)間短的二極管。依此二極管可分為三類：普通二極管、快恢復(fù)二極管和肖特基二極管。

1.普通二極管

普通二極管多用于1kHz以下的整流電路中，由于工作頻率低，反向恢復(fù)時(shí)間并不重要，一般為25μs左右，在參數(shù)表中甚至不列出這一參數(shù)。電流定額由小于1A到數(shù)百安，電壓等級(jí)從50V到高達(dá)5kV。

例如，國(guó)產(chǎn) ZP 系列硅整流二極管主要用于無(wú)線電通信設(shè)備或其他電氣設(shè)備的電源部分。

2.快恢復(fù)二極管

快恢復(fù)二極管也稱為開(kāi)關(guān)二極管，這類二極管的反向恢復(fù)時(shí)間通常小于5μs，適用于高頻下的斬波和逆變電路。高于400V的快恢復(fù)二極管常用擴(kuò)散法制造，用摻雜金或鉑控制反向恢復(fù)時(shí)間的大小。用外延法制造的二極管具有更快的開(kāi)關(guān)速度，使恢復(fù)時(shí)間可低于50ns，故稱做超快恢復(fù)二極管。

國(guó)產(chǎn)ZK系列硅快速整流管主要用于無(wú)線電通信或其他電氣設(shè)備的電源部分。

3.肖特基二極管

肖特基二極管是肖特基勢(shì)壘二極管的簡(jiǎn)稱，常用SBD表示。SBD是在金屬與半導(dǎo)體接觸后，電子從半導(dǎo)體向金屬擴(kuò)散，結(jié)果在半導(dǎo)體一側(cè)形成空間電荷區(qū)、內(nèi)電場(chǎng)和勢(shì)壘。金屬和半導(dǎo)體之間的接觸勢(shì)壘就是肖特基勢(shì)壘。在外電壓的作用下，SBD 也表現(xiàn)出單向?qū)щ姷奶匦浴５牵琒BD在正向?qū)〞r(shí)，N型區(qū)中的電子是流到金屬中而不是流到P型半導(dǎo)體中，因此不存在擴(kuò)散電容的問(wèn)題。恢復(fù)時(shí)間僅是勢(shì)壘電容的充放電時(shí)間。其反向恢復(fù)時(shí)間遠(yuǎn)小于相同定額的結(jié)型二極管，正向壓降較小，漏電流較大，電壓定額較低。

1.2.5 散熱措施

功率二極管中PN結(jié)的性能與溫度密切相關(guān)。電流流過(guò)芯片時(shí)產(chǎn)生功率損耗，引起芯片溫度上升。為保證器件正常工作，必須規(guī)定最高允許結(jié)溫，最高結(jié)溫對(duì)應(yīng)的器件耗散功率即是器件的最大允許耗散功率。器件工作時(shí)不應(yīng)超過(guò)最高結(jié)溫和最大允許功耗值，否則器件可能損壞。工程實(shí)際中，結(jié)溫通常是指芯片的平均溫度，由于功率器件的芯片較大，溫度分布并不均勻，可能出現(xiàn)局部比最高允許結(jié)溫高得多的過(guò)熱點(diǎn)，導(dǎo)致器件損壞，所以規(guī)定的最高允許結(jié)溫遠(yuǎn)低于其失效溫度，且隨設(shè)備可靠性要求不同而不同，這就是結(jié)溫減額使用。例如對(duì)于硅功率二極管最高工作結(jié)溫取為135～150℃，對(duì)軍用設(shè)備取125～135℃，對(duì)超高可靠性設(shè)備則取105°。

芯片溫度的高低與器件內(nèi)部功耗的大小、芯片到外界環(huán)境的傳熱條件（傳熱機(jī)構(gòu)、材料、冷卻方式等）以及環(huán)境溫度等有關(guān)。設(shè)法減小器件的內(nèi)部功耗、改善傳熱條件，對(duì)保證器件長(zhǎng)期可靠運(yùn)行有極其重要的作用。為了便于散熱，功率二極管一般加裝散熱器。散熱器用對(duì)流和輻射的方式將熱能傳到環(huán)境中去，散熱器散熱效果的優(yōu)劣與散熱器的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、表面顏色、冷卻方式以及安裝位置有關(guān)。散熱器有平板散熱器、型材散熱器和叉指型散熱器等，如圖1.4所示。叉指型散熱器比其他散熱器體積小而質(zhì)量輕。叉指型散熱器的國(guó)產(chǎn)型號(hào)為SRZ系列，型材散熱器國(guó)產(chǎn)型號(hào)有XC系列、DXC系列和XSF系列等。散熱器表面應(yīng)涂黑色漆或鈍化，以提高輻射系數(shù)，黑色散熱器比光亮散熱器效果好，由于熱氣流向上流動(dòng)，所以散熱器應(yīng)垂直安放，以便散熱。常用的散熱器冷卻方式有自冷、風(fēng)冷、液冷和沸騰冷卻四種，如圖1.5所示。

自冷是由空氣的自然對(duì)流及輻射作用將熱量帶走的散熱方式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)噪聲，不需維護(hù)，但散熱效率低。風(fēng)冷是采用強(qiáng)制通風(fēng)、加強(qiáng)對(duì)流的散熱方式，一般為自冷散熱效率的2～4倍，噪聲大。水冷方式散熱效率極高，冷卻介質(zhì)除水外，還可采用變壓器油等，但設(shè)備龐雜，投資高，占地面積大。沸騰冷卻是將冷卻介質(zhì)放在密閉容器中，通過(guò)媒質(zhì)物相的變化進(jìn)行冷卻，效率極高，且裝置體積小，但造價(jià)昂貴。

器件直接安裝在散熱器上時(shí)，由于器件的封裝形式不同，散熱效果亦不同，散熱優(yōu)劣還與器件和散熱器之間是否有墊圈、是否涂有硅油等情況有關(guān)，當(dāng)接觸面涂有硅油時(shí)，散熱效果明顯上升。器件管殼與散熱器兩平面接觸時(shí)總是點(diǎn)接觸，隨壓力加大，接觸面加大，散熱效果提高，因此，要求接觸面應(yīng)當(dāng)盡量光潔、平整，無(wú)劃傷、坑、瘤或異物等，必要時(shí)還應(yīng)拋光或加鍍層。