功率二極管(Diodes)器件基礎(chǔ)：結(jié)構(gòu)、符號(hào)與應(yīng)用

然而，這種本征層的缺點(diǎn)是在正向偏置條件下會(huì)增加顯著的電阻，這意味著功率二極管可能需要適當(dāng)?shù)睦鋮s安排來(lái)處理大的功率耗散。

通常，功率二極管用于包括整流器、電壓鉗位器、電壓倍增器等多種應(yīng)用。功率二極管的符號(hào)與信號(hào)二極管相同，如圖2所示。

其他集成在功率二極管中使其能處理更高功率的特性包括：

·使用保護(hù)環(huán)

·硅氧化物層的涂層

保護(hù)環(huán)是一種p型材料，防止其耗盡層與反向偏置的p-n結(jié)的耗盡層合并。保護(hù)環(huán)防止耗盡層的曲率半徑變得太窄，這可以增加擊穿強(qiáng)度。

另一個(gè)特性是在功率二極管表面涂覆SiO2層，以幫助限制電場(chǎng)。如果輕摻雜的“I”層(n層)的厚度大于擊穿時(shí)的耗盡層寬度，這會(huì)在功率二極管中產(chǎn)生非穿透。這意味著耗盡層沒(méi)有穿透輕摻雜的n層。此外，如果“I”層的厚度小于擊穿時(shí)的耗盡層寬度，這成為功率二極管的穿透。

功率二極管的特性

功率二極管的兩種特性如圖3和圖4所示。

切入電壓是使二極管在正向?qū)Ｊ较鹿ぷ鞯淖钚‰妷篤A(陽(yáng)極電壓)的值。信號(hào)二極管的切入電壓為0.7 V，而功率二極管為1 V，使其典型的正向?qū)▔航蹈蟆?/p>圖3：功率二極管(I-V)特性

在正向偏置條件下，信號(hào)二極管電流可以指數(shù)增長(zhǎng)然后線性增長(zhǎng)。對(duì)于功率二極管，它幾乎與所施加的電壓線性增長(zhǎng)，因?yàn)樗蠵-I-N層在正向偏置下都保持飽和的少數(shù)載流子。這意味著高電流值可以產(chǎn)生電壓降，掩蓋曲線的指數(shù)部分。

在反向偏置條件下，由于少數(shù)載流子，直到發(fā)生雪崩擊穿之前，會(huì)有小的漏電流流動(dòng)，如圖3所示。

當(dāng)正向二極管電流達(dá)到零后，由于耗盡層和p或n層中存儲(chǔ)的電荷，二極管繼續(xù)在相反方向?qū)щ?。二極管電流流動(dòng)的反向恢復(fù)時(shí)間(Trr或trr)是從正向二極管電流變?yōu)榱愕乃查g到反向恢復(fù)電流衰減到其反向最大值的25%的瞬間的時(shí)間。

其中：

時(shí)間ta：從耗盡層移除存儲(chǔ)的電荷

時(shí)間tb：從半導(dǎo)體層移除電荷

圖4a中陰影區(qū)域代表在反向恢復(fù)時(shí)間Trr期間必須移除的存儲(chǔ)電荷QR。

至于二極管上的功率損耗=vf * if(如圖4c所示)，二極管中的主要功率損耗發(fā)生在時(shí)間段tb?？偟膩?lái)說(shuō)，恢復(fù)可以是突然的或平滑的，如圖5所示。

為了定量了解，我們可以使用軟度因子(S因子)。

其中：

比率tb/ta = S因子

S因子=測(cè)量二極管恢復(fù)期間發(fā)生的電壓瞬變

S因子=1 ? 低振蕩反向恢復(fù)過(guò)程(軟恢復(fù)二極管)

S因子<1 ? 大振蕩過(guò)電壓(快速恢復(fù)二極管或快恢復(fù)二極管)

現(xiàn)在存在具有1 A至數(shù)千安培正向電流額定值和50 V至5000 V或更高反向恢復(fù)電壓額定值的功率二極管。

肖特基二極管：

關(guān)于肖特基二極管(圖6)，它們通常具有鋁-硅結(jié)，其中硅是n型。

由于金屬?zèng)]有空穴，因此沒(méi)有存儲(chǔ)電荷，也沒(méi)有反向恢復(fù)時(shí)間。因此，只有多數(shù)載流子(電子)的移動(dòng)，避免了由復(fù)合過(guò)程引起的關(guān)斷延遲。它也可以比p-n結(jié)二極管更快地關(guān)斷。與p-n結(jié)二極管相比，它具有：

(a) 更低的切入電壓

(b) 更高的反向漏電流

(c) 更高的工作頻率

至于應(yīng)用，這些器件通常用于高頻儀器和開(kāi)關(guān)電源

在高頻儀器中，功率二極管的應(yīng)用尤為關(guān)鍵。它們被用于信號(hào)整流、波形整形和頻率倍增等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，確保信號(hào)處理的精確性和效率。例如，在射頻(RF)發(fā)射器中，功率二極管用于將交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流，為發(fā)射器提供穩(wěn)定的電源，同時(shí)還能在接收器中用于檢測(cè)和解調(diào)信號(hào)，提高系統(tǒng)的整體性能。

在開(kāi)關(guān)電源(SMPS)中，功率二極管的作用同樣不可或缺。它們?cè)陔娫吹恼骱头答侂娐分邪l(fā)揮著核心作用，將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，并確保電源輸出的穩(wěn)定性和效率。特別是在高效率的開(kāi)關(guān)模式電源中，功率二極管的選擇和配置直接影響到電源的整體轉(zhuǎn)換效率和熱管理。

此外，隨著技術(shù)的發(fā)展，功率二極管也在太陽(yáng)能逆變器、電動(dòng)汽車(chē)充電器和各種工業(yè)電源中找到了廣泛的應(yīng)用。在這些領(lǐng)域，功率二極管不僅需要處理高功率和高電壓，還必須能夠在極端條件下保持穩(wěn)定運(yùn)行，這對(duì)二極管的材料和設(shè)計(jì)提出了更高的要求。