二極管在電力整流中的作用

p-n二極管

二極管的作用是在一定方向上阻止電流流動，允許它在相反方向上移動。這一原理的核心是經(jīng)典的p-n結(jié)，它是在重?fù)诫s的n+襯底上形成一個n型漂移層。然后，通過在n型層中植入p型摻雜劑（離子注入）來實現(xiàn)p+層。

p摻雜區(qū)域是陽極，n摻雜區(qū)域是陰極。移動電荷載流子通過結(jié)并復(fù)合，在此形成一個沒有自由載流子、只有原子核的中性且非導(dǎo)電區(qū)域。這被稱為耗盡區(qū)。因為漂移電流和擴散電流抵消，我們得到了零凈電流。

現(xiàn)在，如果我們給陽極加正偏壓，給陰極加負(fù)偏壓，我們就會引入額外的電荷載流子[電子]，它們將向耗盡區(qū)移動，耗盡區(qū)將消失，當(dāng)我們不再有剩余的耗盡區(qū)時，二極管變得導(dǎo)電。

由于需要一定的電壓來使二極管導(dǎo)電，我們引入了一個重要的二極管參數(shù)：正向電壓(VF)。同樣，如果我們以反向偏壓，將更多的電荷載流子推出系統(tǒng)，我們將擴大耗盡區(qū)。結(jié)果是沒有電流流動，二極管進入截止?fàn)顟B(tài)。這導(dǎo)致了二極管的第二個相關(guān)參數(shù)，即截止電壓。

在截止?fàn)顟B(tài)下，我們?nèi)匀挥幸恍┥贁?shù)載流子，它們會產(chǎn)生一小部分電流流動，這就是另一個重要參數(shù)，稱為漏電流[IR]，它是在反向方向流動的電流。

其他類型的二極管：肖特基、SiGe和SiC

另一個相關(guān)的整流器類型是肖特基二極管，它由金屬與n型半導(dǎo)體接觸組成。其主要優(yōu)勢包括較低的正向電壓和快速開關(guān)時間(trr)。然而，肖特基二極管也表現(xiàn)出較高的反向漏電流。另一方面，擊穿電壓主要由外延層的厚度和摻雜選擇確定，因此，隨著規(guī)格中擊穿電壓的提高，肖特基整流器的效率變得較低。市場上很難找到超過200V的VBR。

硅鍺(SiGe)和碳化硅（SiC）整流器

它消除了其他類型的很多權(quán)衡，將肖特基整流器的最佳特性與快恢復(fù)設(shè)備相結(jié)合。特別是，SiGe整流器具備高熱穩(wěn)定性，使其成為高溫應(yīng)用的良好選擇。

寬禁帶材料如碳化硅(SiC)具有優(yōu)越的材料屬性。SiC的能帶間隙是硅的3倍，擊穿場強是硅的10倍，電子速度是硅的2倍，熱導(dǎo)率是硅的3倍。這使得二極管能夠具有超過600V的截止電壓。

已經(jīng)看到，不同技術(shù)的分立功率二極管，每種都有其獨特的原子結(jié)構(gòu)和特性。因此，選擇哪種技術(shù)取決于特定應(yīng)用的要求。

二極管的I-V特性

該曲線的y軸是電流，x軸是電壓。曲線的形狀由耗盡區(qū)的電荷載流子運輸決定。

如果施加一個正向電壓，則最初幾乎沒有電流流通。但是，如果這個電壓超過了某個閾值，二極管就會導(dǎo)電。同樣，如果施加負(fù)電壓，耗盡區(qū)仍然表現(xiàn)為絕緣體，直到某個電壓，二極管變得不穩(wěn)定并擊穿。

此曲線關(guān)聯(lián)的典型參數(shù)包括正向電流(IF)、VF、IR、反向電壓(VR)和IFSM額定值，這表示二極管在正向偏置模式下能夠承受的最大峰值電流。

由于溫度的升高導(dǎo)致電荷載流子濃度升高和VF降低，因此正向特性在溫度變化下看起來略有不同，主要是因為y軸指示是以對數(shù)刻度而不是之前所示的線性刻度。按照經(jīng)驗，VF每升高1K大約下降2mV，這種溫度依賴性適用于所有類型的二極管。

如何選擇正確的二極管

選擇正確的二極管技術(shù)的決策過程嚴(yán)格取決于特定應(yīng)用的要求。電力整流器幾乎出現(xiàn)在我們?nèi)粘Ｊ褂没蚪佑|的每一個電子應(yīng)用中。

在靜態(tài)應(yīng)用中，我們有反向極性保護，這是我們生活中經(jīng)常遇到的，因為它用于保護系統(tǒng)免受錯誤連接電源的影響，第二個應(yīng)用是電源ORing二極管，用于連接多個電源以提高可靠性或總功率耗散。

考慮反向極性保護應(yīng)用，假設(shè)我們想保護一個系統(tǒng)，以承受高達60V的反向極性。在這種情況下，我們發(fā)現(xiàn)我們可以使用肖特基二極管、SiGe二極管或p-n二極管。對于這個系統(tǒng)，我們必須在正向電壓降和漏電流之間找到折中。肖特基二極管有最低的VF；SiGe二極管在25°C時有最低的IR；p-n二極管在125°C時有最低的IR。

肖特基技術(shù)具有最低的正向?qū)〒p耗(Pfwd)。因此，如果Pfwd是主要的選擇標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)選擇平面低VF二極管。SiGe技術(shù)提供了最低的反向?qū)〒p耗(Prev)。在高溫下，p-n技術(shù)的表現(xiàn)與SiGe相同。因此，如果Prev是主要的選擇標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)選擇SiGe二極管，因為其Pfwd比p-n技術(shù)小。此外，還應(yīng)該將對瞬態(tài)脈沖的魯棒性（例如，在啟動時的涌入電流）視為一個額外的選擇標(biāo)準(zhǔn)。

二極管在整流器動態(tài)應(yīng)用中都扮演著重要的角色，全橋整流器中，它用于將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，降壓轉(zhuǎn)換器中的續(xù)流二極管，反激轉(zhuǎn)換器中的升壓二極管和反向電容二極管，以及引導(dǎo)啟動二極管。