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(gè)顯著特點(diǎn)。

在純凈半導(dǎo)體內(nèi)摻入微量雜質(zhì)如五價(jià)元素后，在晶體中出現(xiàn)多余電子使自由電子數(shù)遠(yuǎn)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(jià)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(jiǎn)稱多子，另一類稱為少數(shù)載流子，簡(jiǎn)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(fù)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(guò)擴(kuò)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(kuò)散。圖2-2（a）所示即為PN結(jié)形成原理，P區(qū)的空穴擴(kuò)散到N區(qū)，N區(qū)中的電子擴(kuò)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(chǎng)。內(nèi)電場(chǎng)在阻止多子繼續(xù)擴(kuò)散的同時(shí)又幫助少子向各自的對(duì)方漂移。在一定溫度下，擴(kuò)散與漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，空間電荷達(dá)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?，?dāng)PN結(jié)外加正向電壓（P正N負(fù)）時(shí)，外電壓產(chǎn)生的外電場(chǎng)削弱內(nèi)電場(chǎng)，使擴(kuò)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(guò)，稱為正向?qū)?。此時(shí)PN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(fù)N正）時(shí)，外電壓加強(qiáng)內(nèi)電場(chǎng)，從而強(qiáng)烈阻止PN結(jié)兩邊的多子擴(kuò)散，使PN結(jié)變寬，僅有少子通過(guò)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?。由PN結(jié)組成的二極管是結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)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(guò)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(gè)管子集成為一個(gè)器件。由于流過(guò)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(lái)達(dá)到的。

功率二極管本身消耗功率，發(fā)熱多，使用時(shí)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(yùn)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(mén)檻電壓），即克服PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)后管子才開(kāi)始導(dǎo)通，正向?qū)ê笃鋲航祷静浑S電流變化。反向工作時(shí)，當(dāng)反向電壓增大到UD（擊穿電壓），使PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)達(dá)到雪崩擊穿強(qiáng)度時(shí)，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(guó)產(chǎn)型號(hào)為ZP，主要參數(shù)說(shuō)明如下。

（1）額定正向平均電流IF（額定電流）：管子長(zhǎng)期運(yùn)行在規(guī)定散熱條件下，允許流過(guò)工頻正弦半波時(shí)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(jí)，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(lái)選取管子電流定額。對(duì)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(guò)額定正弦半波電流時(shí)，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(duì)應(yīng)于反向重復(fù)峰值電壓時(shí)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(dòng)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(hù)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(dá)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(chǎng)合的二極管稱為快恢復(fù)二極管，也稱開(kāi)關(guān)二極管，對(duì)此類二極管的要求是：正向瞬態(tài)壓降小，反向恢復(fù)時(shí)間短，反向恢復(fù)電荷少以及具有軟恢復(fù)特性。

開(kāi)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?dòng)態(tài)為開(kāi)通過(guò)程和關(guān)斷過(guò)程。二極管工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換的特性稱為開(kāi)關(guān)特性，現(xiàn)將關(guān)斷特性與開(kāi)通特性分析如下。

（1）關(guān)斷特性。圖2-3（a）所示為開(kāi)關(guān)二極管轉(zhuǎn)換電路。當(dāng)S從“1”位置立即倒向“2”時(shí)，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(guò)一段時(shí)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(guò)程如圖2-3（b）所示，tf時(shí)刻開(kāi)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(shí)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(shí)結(jié)內(nèi)Q1電荷已被抽走，反向電流達(dá)最大值IRM，在此以前二極管仍為正偏，t1時(shí)刻后管子開(kāi)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(dòng)勢(shì)，此電動(dòng)勢(shì)與電源電壓疊加，使二極管承受很高的反向電壓URM。

t2時(shí)刻（反向電流降為10%IRM時(shí)）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(shí)間定義為反向恢復(fù)時(shí)間，用trr表示，是開(kāi)關(guān)管的重要參數(shù)。反向恢復(fù)時(shí)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(guò)程長(zhǎng)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(kāi)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(chǔ)能來(lái)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(guò)大，則會(huì)使反向恢復(fù)電壓UM過(guò)高，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈振蕩致使管子損壞。通常用軟、硬恢復(fù)的概念來(lái)表示di/dt對(duì)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(kāi)通特性。當(dāng)圖2-3（a）中所示開(kāi)關(guān)S從“2”突然倒向“1”時(shí)，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(mén)檻電壓UTO以上時(shí)，PN結(jié)才會(huì)有正向電流流過(guò)。二極管的開(kāi)通特性如圖2-3（c）所示，在開(kāi)通過(guò)程中，二極管兩端會(huì)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(guò)開(kāi)通時(shí)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(kāi)關(guān)速度。通常正向恢復(fù)時(shí)間tfr比反向恢復(fù)時(shí)間trr小。

二極管開(kāi)通過(guò)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(zhǎng)度、器材封裝采用磁性材料等因素有關(guān)，因此開(kāi)通時(shí)二極管電流上升率越大，峰值電壓Ufp就越高，正向恢復(fù)時(shí)間tfr也越長(zhǎng)。另外，結(jié)溫升高時(shí)Ufp、tfr值也會(huì)增大。

目前市場(chǎng)供應(yīng)的開(kāi)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(shí)，PIN管具有開(kāi)通電壓低，反向恢復(fù)時(shí)間短以及耐壓高的優(yōu)點(diǎn)，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(jìn)行選擇。還有一類稱為肖特基二極管，常用SBD表示，它是通過(guò)金屬與半導(dǎo)體接觸構(gòu)成的，其反向恢復(fù)時(shí)間極小且與反向di/dt值無(wú)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(shí)用MOS管代替肖特基二極管。其優(yōu)點(diǎn)是效率可提高到90%以上，價(jià)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(dá)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。