二極管和電力二極管的工作原理分析

一、模電復(fù)習(xí)部分

1.基礎(chǔ)概念

本征半導(dǎo)體：純硅，自由載流子較少

P型半導(dǎo)體：摻雜有第三主族元素的硅，要形成與之前相似的化學(xué)鍵，會產(chǎn)生空穴，帶正電荷

N型半導(dǎo)體：摻雜有第五主族元素的硅，會產(chǎn)生自由電子，帶負(fù)電荷

需要注意的是，無論N型半導(dǎo)體、P型半導(dǎo)體還是二極管，均為電中性，原因很簡單，在生產(chǎn)過程中加入的所有元素均為電中性，產(chǎn)物自然不會帶電。

擴散運動：粒子由濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域運動的過程

漂移運動：粒子由濃度低的區(qū)域向濃度高的區(qū)域運動的過程

PN結(jié)：P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體拼在一起，由于空穴帶正電，電子帶負(fù)電，擴散效應(yīng)會使電子與空穴在交界處發(fā)生中和(具體的過程了解的不是很清楚，先這么理解)。由于先前P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體均為電中性，但電子與空穴運動至對面，所以在中間的位置會產(chǎn)生帶正電與負(fù)電的區(qū)域，如下圖所示：

正負(fù)電荷形成電場，注意電場方向，在之后分析二極管的正反特性時很重要

2.二極管的工作原理分析

二極管的正向偏置：

如圖所示，當(dāng)在二極管兩端施加正向電壓時，外電池(電池電壓)與內(nèi)電場(P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體之間電場)方向相反，外電場阻礙了多子的擴散運動，使耗盡層被削弱，促進了電荷按照外電場的方向進行運動，壓降較小。

正向電壓過小時，電路中的電荷無法克服內(nèi)電場的作用，表現(xiàn)為電路中電流較小

二極管的反向偏置：

如圖所示，施加反向電壓時，與剛才的過程相反，外電場方向與內(nèi)電場相同，外電場促進了多子的擴散運動，耗盡層變厚

當(dāng)反向電壓過大時，電荷在電場中收到力的作用，電荷動能增加，與化學(xué)鍵中的電子相碰撞，當(dāng)動能足夠大時，碰撞會造成化學(xué)鍵的斷裂，釋放出的電子接著碰撞其他電子，最終導(dǎo)致二極管結(jié)構(gòu)發(fā)生不可逆變化，該過程稱為雪崩擊穿。

二極管的伏安特性曲線：

二、電力二極管

1.電力二極管的使用場景

電力二極管一般使用在高壓、大電流的場景下，在反向大電壓下不被擊穿，能通過正向大電流的能力顯得尤為重要。

2.電力二極管的構(gòu)造

電力二極管截面積一般大于普通二極管，以此通過更大的電流。

除了我們上面介紹的PN型二極管，電力二極管中更普遍的為PIN二極管。PIN二極管分為p+，n-，n+三個區(qū)域。其中“+”號表示摻雜濃度較大，“-”號表示摻雜濃度較小

低濃度摻雜區(qū)域主要用于耐受更高的反向電壓。由于該區(qū)域內(nèi)其他元素?fù)诫s濃度較低，能夠維持正向?qū)ǖ耐瑫r為多子的擴散提供了緩沖區(qū)域，使其能夠耐受更高的反向電壓而不被擊穿

3.電力二極管的動態(tài)特性

1)關(guān)斷過程

無論是普通的PN型二極管還是PIN型二極管，由于耗盡層與N-區(qū)域的存在，形成了一個類似于電容的結(jié)構(gòu)，稱之為結(jié)電容。

當(dāng)二極管由正向?qū)顟B(tài)轉(zhuǎn)移至反向關(guān)斷狀態(tài)時，由于結(jié)電容的存在，電流會從正向轉(zhuǎn)換為負(fù)向(可理解為電容放電過程)由于電容的電壓不突變特性與電磁感應(yīng)定律，在儲存的電荷未完全釋放時，二極管兩端的電壓基本維持不變(圖中所示的td時間內(nèi))

之后電壓迅速下降(類比于電容的反向充電過程)，波谷的出現(xiàn)則是由于電路中存在一定的電感，隨后電壓回復(fù)至反向電壓處

2)開通過程

在開通過程中，要克服先前在關(guān)斷狀態(tài)下二極管產(chǎn)生的內(nèi)電場，需要一個較大的電壓來克服這個內(nèi)電場，且隨著電流的增大，由于器件本身具有一定的電感，會產(chǎn)生反向電動勢阻礙變化的發(fā)生，因而出現(xiàn)一個尖峰。

需要注意的是，相較于關(guān)斷過程，開通過程通常時間較短，可忽略不計。

3)一些描述該過程的參數(shù)

關(guān)斷過程：

延遲時間td;電流下降時間tf;反向恢復(fù)時間trr = td + tf;反向峰值電流IRP;反向峰值電壓URP

開通過程：

過充電壓UFP;正向恢復(fù)時間tfr

4.常用電力二極管種類及特點

1)普通二極管：

有PN結(jié)，多用于開關(guān)頻率不高(1kHz以下)的整流電路中;缺點是反向恢復(fù)時間較長，一般在5以上;優(yōu)點是正向電流定額和反向電壓定額可以達到很高。等級齊全，有等級很高的品種。

2)快速恢復(fù)二極管：

快恢復(fù)二極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與普通PN結(jié)二極管不同，它屬于PIN結(jié)型二極管，即在P型硅材料與N型硅材料中間增加了基區(qū)I，構(gòu)成PIN硅片。因基區(qū)很薄，反向恢復(fù)電荷很小，所以快恢復(fù)二極管的反向恢復(fù)時間較短，正向壓降較低，反向擊穿電壓(耐壓值)較高。

其正向壓降高于普通二極管(1-2V)，反向耐壓多在1200V以下。從性能上可分為快恢復(fù)和超快恢復(fù)兩個等級。前者反向恢復(fù)時間為數(shù)百納秒或更長，后者則在100納秒以下。

3)肖特基二極管：

肖特基二極管(SBD)是利用金屬與半導(dǎo)體接觸形成的金屬-半導(dǎo)體結(jié)原理制作的。因此，SBD也稱為金屬-半導(dǎo)體(接觸)二極管或表面勢壘二極管。

由于肖特基二極管結(jié)構(gòu)中不含PN結(jié)，在開通與關(guān)斷過程中不會有上文中所描述的動態(tài)特性，而是在兩個電壓之間進行平滑的過渡，大大降低了恢復(fù)時間，甚至可以小到幾納秒。

原理：肖特基二極管是貴金屬(金、銀、鋁、鉑等)A為正極，以N型半導(dǎo)體B為負(fù)極，利用二者接觸面上形成的勢壘具有整流特性而制成的金屬-半導(dǎo)體器件。因為N型半導(dǎo)體中存在著大量的電子，貴金屬中僅有極少量的自由電子，所以電子便從濃度高的B中向濃度低的A中擴散。顯然，金屬A中沒有空穴，也就不存在空穴自A向B的擴散運動。隨著電子不斷從B擴散到A，B表面電子濃度逐漸降低，表面電中性被破壞，于是就形成勢壘，其電場方向為B→A。但在該電場作用之下，A中的電子也會產(chǎn)生從A→B的漂移運動，從而消弱了由于擴散運動而形成的電場。當(dāng)建立起一定寬度的空間電荷區(qū)后，電場引起的電子漂移運動和濃度不同引起的電子擴散運動達到相對的平衡，便形成了肖特基勢壘。

肖特基二極管也有其缺陷，由于元件原理是勢壘形成的電場，因而肖特基二極管無法承受過高的反向電壓，且其反向漏電流較大。因此，常被使用于高速、低壓、大電流的場景中。