2.1.1 PN結(jié)與功率二極管工作原理

完全純凈的半導(dǎo)體在常溫下可以激發(fā)出少量自由電子和相應(yīng)數(shù)量的空穴，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)體的一個顯著特點。

在純凈半導(dǎo)體內(nèi)摻入微量雜質(zhì)如五價元素后，在晶體中出現(xiàn)多余電子使自由電子數(shù)遠大于空穴數(shù)，此類材料稱為N型半導(dǎo)體；同樣，在半導(dǎo)體中摻入三價元素后，晶體中出現(xiàn)多余空穴，此類材料稱為P型半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體中的電子與P型半導(dǎo)體中的空穴稱為多數(shù)載流子，簡稱多子，另一類稱為少數(shù)載流子，簡稱少子。這種有不同極性載流子參與導(dǎo)電的器件統(tǒng)稱為雙極型器件。根據(jù)摻入雜質(zhì)的多少可控制多子的濃度。但不管摻入多少雜質(zhì)，半導(dǎo)體中正、負電荷總量均相等且保持電中性。

現(xiàn)將一種半導(dǎo)體基片（N型或P型）通過擴散或合金工藝，在其上形成相反導(dǎo)電類型，這兩部分即形成PN結(jié)。PN結(jié)在交界面處由于空穴與電子濃度的差異，使載流子從高濃度向低濃度擴散。圖2-2（a）所示即為PN結(jié)形成原理，P區(qū)的空穴擴散到N區(qū)，N區(qū)中的電子擴散到P區(qū)，在交界面出現(xiàn)空間電荷區(qū)，形成由N區(qū)指向P區(qū)的內(nèi)電場。內(nèi)電場在阻止多子繼續(xù)擴散的同時又幫助少子向各自的對方漂移。在一定溫度下，擴散與漂移達到動態(tài)平衡，空間電荷達到穩(wěn)定值。

PN結(jié)是半導(dǎo)體器件的核心，掌握PN結(jié)的性質(zhì)是分析器件的基礎(chǔ)。PN結(jié)的主要特性是單向?qū)щ娦裕?dāng)PN結(jié)外加正向電壓（P正N負）時，外電壓產(chǎn)生的外電場削弱內(nèi)電場，使擴散大于漂移，空間電荷減少，PN結(jié)變窄，使正向電流不斷流過，稱為正向?qū)ā４藭rPN結(jié)表現(xiàn)為低阻，其電壓降只有1V左右。PN結(jié)加上反向電壓（P負N正）時，外電壓加強內(nèi)電場，從而強烈阻止PN結(jié)兩邊的多子擴散，使PN結(jié)變寬，僅有少子通過漂移形成極小的反向漏電流，PN結(jié)表現(xiàn)為高阻，稱為反向阻斷，這就是PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦浴Ｓ蒔N結(jié)組成的二極管是結(jié)構(gòu)最簡單，應(yīng)用最廣的電子器件，是許多其他器件的基本組成部分。

功率二極管是允許流過的電流較大，承受電壓較高的二極管，為縮小體積和減少連線，除單管結(jié)構(gòu)外已有模塊結(jié)構(gòu)，即把幾個管子集成為一個器件。由于流過電流較大，故其引線與焊接電阻的影響較明顯。為了提高反向耐壓，必須降低摻雜濃度，導(dǎo)致正向壓降增大。任何電子器件耐壓性能的提高都是犧牲其他性能指標(biāo)來達到的。

功率二極管本身消耗功率，發(fā)熱多，使用時必須十分重視管子的散熱，應(yīng)安裝傳熱良好的散熱器。目前功率電子器件常用的散熱器冷卻方式有自冷、風(fēng)冷、液冷和沸騰冷（熱管）四種。功率二極管的正常運行，在很大程度上取決于散熱器的合理選配，以及器件與散熱器之間的裝配質(zhì)量。

功率二極管的伏安特性如圖2-2（b）所示，當(dāng)外加正向電壓大于UTO（門檻電壓），即克服PN結(jié)內(nèi)電場后管子才開始導(dǎo)通，正向?qū)ê笃鋲航祷静浑S電流變化。反向工作時，當(dāng)反向電壓增大到UD（擊穿電壓），使PN結(jié)內(nèi)電場達到雪崩擊穿強度時，反向漏電流IRR劇增，導(dǎo)致二極管擊穿損壞。用于工頻整流的功率二極管也稱為整流管，國產(chǎn)型號為ZP，主要參數(shù)說明如下。

（1）額定正向平均電流IF（額定電流）：管子長期運行在規(guī)定散熱條件下，允許流過工頻正弦半波時的最大平均電流，將此電流值稱為規(guī)定二極管系列的電流等級，即為管子的額定電流。IF受發(fā)熱限制，因此在使用中按有效值相等來選取管子電流定額。對應(yīng)額定電流IF，其有效值為1.57IF。

（2）反向重復(fù)峰值電壓URRM（額定電壓）：管子反向能重復(fù)施加的最高峰值電壓，此值通常為擊穿電壓UB的2/3。

（3）正向平均電壓UF：在規(guī)定條件下，管子流過額定正弦半波電流時，管子兩端的正向平均電壓，也稱為管壓降，此值比直流壓降小。

（4）反向漏電流IRR：對應(yīng)于反向重復(fù)峰值電壓時的漏電流。

ZP系列參數(shù)列于表2-1中。由于工作于工頻，故動態(tài)參數(shù)不標(biāo)出。

功率二極管在電力電子交流電路中起著不同的作用，在交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)流器件，在逆變電路中用于反向充電和能量傳輸，在各類交流器中用于隔離、鉗位、保護和高頻整流。隨著高頻全控型電力電子器件的大量應(yīng)用，功率二極管的工作頻率可高達幾百kHz，要求二極管能快速地在導(dǎo)通與阻斷之間轉(zhuǎn)換。用在高頻場合的二極管稱為快恢復(fù)二極管，也稱開關(guān)二極管，對此類二極管的要求是：正向瞬態(tài)壓降小，反向恢復(fù)時間短，反向恢復(fù)電荷少以及具有軟恢復(fù)特性。

開關(guān)二極管可分四種工作狀態(tài)：靜態(tài)為正向?qū)ê头聪蜃钄啵瑒討B(tài)為開通過程和關(guān)斷過程。二極管工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換的特性稱為開關(guān)特性，現(xiàn)將關(guān)斷特性與開通特性分析如下。

（1）關(guān)斷特性。圖2-3（a）所示為開關(guān)二極管轉(zhuǎn)換電路。當(dāng)S從“1”位置立即倒向“2”時，由于PN結(jié)內(nèi)存在大量載流子需要排出和復(fù)合，所以反向阻斷能力的恢復(fù)需要經(jīng)過一段時間，在未恢復(fù)阻斷之前二極管相當(dāng)于短路狀態(tài)。其關(guān)斷過程如圖2-3（b）所示，tf時刻開關(guān)S倒向“2”，導(dǎo)通的二極管突加反壓UR，正向電流以dif/dt的速率減小，t0時二極管電流降為零，電流變化率的大小為-UR/L，L為電路電感。t1時結(jié)內(nèi)Q1電荷已被抽走，反向電流達最大值IRM，在此以前二極管仍為正偏，t1時刻后管子開始恢復(fù)反向阻斷，反向恢復(fù)電流迅速減小，其dirr/dt值較大，在電感L中產(chǎn)生較高電動勢，此電動勢與電源電壓疊加，使二極管承受很高的反向電壓URM。

t2時刻（反向電流降為10%IRM時）后，反向恢復(fù)電流i逐漸減小為零，電荷Q2也被抽空，二極管承受靜態(tài)反向電壓UR，關(guān)斷結(jié)束。t2-t0時間定義為反向恢復(fù)時間，用trr表示，是開關(guān)管的重要參數(shù)。反向恢復(fù)時間很短的二極管稱為快恢復(fù)二極管（Fast Recovery Diode，F(xiàn)RD）。

影響反向恢復(fù)過程長短的主要因素是反向恢復(fù)電荷的大小，其值為

QR小則trr短，這是快恢復(fù)二極管與整流管的根本區(qū)別。trr與QR的大小隨開關(guān)前的正向電流、反向電流上升，結(jié)溫的增加而增加。在反向恢復(fù)期間，二極管消耗的能量由QR與電感L的儲能來決定。為了減小損耗應(yīng)選擇QR小的二極管。反向恢復(fù)電流的下降速度過大，則會使反向恢復(fù)電壓UM過高，有時會出現(xiàn)強烈振蕩致使管子損壞。通常用軟、硬恢復(fù)的概念來表示di/dt對反向特性的影響，特性的軟硬波（亦稱柔度系數(shù)）Sr定義為

Sr大為軟恢復(fù)，此類管子的反向峰值電壓URM值也小，如Sr=0.3屬硬恢復(fù)器件，Sr=0.8屬軟恢復(fù)器件。

（2）開通特性。當(dāng)圖2-3（a）中所示開關(guān)S從“2”突然倒向“1”時，必須先將原先變厚的空間電荷釋放，當(dāng)正向電壓上升到門檻電壓UTO以上時，PN結(jié)才會有正向電流流過。二極管的開通特性如圖2-3（c）所示，在開通過程中，二極管兩端會出現(xiàn)幾伏到幾十伏的正向峰值電壓Ufp，它比穩(wěn)態(tài)的管壓降大得多，且需要經(jīng)過開通時間（正向恢復(fù)）tfr后才恢復(fù)正常，因此限制了正向電流上升率和開關(guān)速度。通常正向恢復(fù)時間tfr比反向恢復(fù)時間trr小。

二極管開通過程中呈現(xiàn)的電感現(xiàn)象（電流滯后電壓）除內(nèi)部結(jié)構(gòu)原因外，還與引線長度、器材封裝采用磁性材料等因素有關(guān)，因此開通時二極管電流上升率越大，峰值電壓Ufp就越高，正向恢復(fù)時間tfr也越長。另外，結(jié)溫升高時Ufp、tfr值也會增大。

目前市場供應(yīng)的開關(guān)二極管除上述PN結(jié)構(gòu)外，還有一種PIN結(jié)二極管，其構(gòu)造是在PN結(jié)中夾一層本征半導(dǎo)體。在同樣容量時，PIN管具有開通電壓低，反向恢復(fù)時間短以及耐壓高的優(yōu)點，不足之處是PIN管具有硬恢復(fù)特性，而PN結(jié)結(jié)構(gòu)的管子具有軟恢復(fù)特性，可根據(jù)不同要求進行選擇。還有一類稱為肖特基二極管，常用SBD表示，它是通過金屬與半導(dǎo)體接觸構(gòu)成的，其反向恢復(fù)時間極小且與反向di/dt值無關(guān)，正向壓降小，典型值為0.55V，但反向漏電流較大，電壓不易做高，因此多用在便攜式低壓整流裝置中。

20世紀(jì)90年代末出現(xiàn)同步整流，在高頻整流時用MOS管代替肖特基二極管。其優(yōu)點是效率可提高到90%以上，價格比肖特基管下降約50%，管子通態(tài)電阻比肖特基管減少1/2～1/3，工作頻率可達1MHz，特別適合便攜式低電壓電源，極有發(fā)展前途。幾種不同類型的功率二極管參數(shù)列于表2-1中。