普通功率二极管结构_特性参数_工作原理

  一、 结构类型
  普通功率二极管的分类很多。从制造工艺来分，有扩散二极管和外延二极管；从用途来分，有整流二极管、开关二极管及续流二极管；从工作机理来分，有双极型pin二极管和单极型功率肖特基二极管。
 
  1. 封装结构
  常见的功率二极管的外形结构如图1所示，普通功率整流二极管(Power Rectifier Diode)常采用平板型封装结构，快恢复二极管(Fast Recovery Diode,FRD)常采用塑封结构或模块结构。

 
  2. 基本结构
  根据器件容量的不同，功率二极管的管芯结构主要采用p+nn+结构和p+pnn+结构。图2给出了两种常见的功率二极管剖面结构。
  (1)p+nn+结构如图2a所示，采用p+nn+结构的功率二极管，中间层为轻掺杂区(常称为基区)，当掺杂浓度很低时，可近似看作本征半导体，p+nn+结构可近似为pin结构。这种结构通常采用外延工艺形成，因此也称为外延功率二极管。它是先在n+衬底上利用外延工艺形成n层，然后在n层上通过硼扩散形成阳极p+区。最后通过蒸铝、合金等工艺形成电极。  
  由于n区厚度较薄，使得二极管的正向压降低、反向恢复快，所以p+nn+结构是一种理想的快恢复二极管结构。
  (2)p+pnn+结构如图2b所示，p+nn+结构的功率二极管通常采用扩散工艺形成，因此也称为扩散功率二极管。它是先在n衬底上通过磷扩散形成n +层，然后磨掉一侧的n+层，再在其上通过硼、铝双质扩散形成阳极p区和p+欧姆接触区。最后通过蒸铝、合金等工艺形成电极。
  采用p+pnn+结构的功率二极管，不仅能提高注入效率，增强电导调制效应，使得二极管具有较理想的正向导通特性，同时反向也能承受高电压，所以，p+pnn+结构是一种较理想的高电压、大电流的整流管结构。
 
  二、 工作原理与I-U特性、参数
  尽管功率二极管的结构有所不同，其核心仍是p+n结，正向偏置时，p+n结势垒降低，空间电荷区变窄，p+区向n区注入空穴，致使n区产生电导调制效应，从而获得低的电压降，流过大的正向电流；反向偏置时，p+n结势垒升高，空间电荷区变宽，并主要向低掺杂的n区展宽，以承受高的反向电压，流过极小的反向漏电流。
  功率二极管是基于p+n结，在重掺杂的p+、n+层之间增加了一个较厚的低掺杂n型(或p型)高阻区作为耐压层，构成p+nn+(或p+pn+)结构。这种结构统称为pin结构。下面以pin二极管为例，来分析功率二极管的工作原理。
  1. 工作原理
  功率二极管工作时，当阳-阴极之间加反向电压(UAK <0)时，p+n结反偏，承担反向电压，功率二极管处于反向截止状态，此时漏电流很小，且趋于饱和。当UAK继续增加，直到大于p+n结雪崩击穿电压UBD时，p+n结才发生雪崩击穿。功率二极管处于反向击穿状态，此时漏电流急剧增加。
  当阳-阴极之间加上正向电压(UAK >0)时，p+n结正偏，p+区向n区注入空穴，n+区向n区注入电子，n区充满大量的非平衡载流子(即电子和空穴)，从而减小了n区的体电阻，此效果称为电导调制效应。此时功率二极管处于正向导通状态，可以流过很大的阳极电流，两端的压降很低。
  当撤走阳-阴极之间所加的正向电压(即UAK<0)，导通状态下存储在n区中的大量非平衡载流子开始通过复合而消失。功率二极管进入反向恢复过程，此时若在阳-阴极间加上反向电压(UAK <0)，可以加速非平衡载流子的抽取，缩短反向恢复过程，直到n区中的非平衡载流子彻底消失，功率二极管才完全截止。
 
  2. I-U特性曲线
  功率二极管具有类似pn结的正向导通特性和反向击穿特性，即单向导电性。只是功率二极管的正向电流和正向压降均较大，使得导通特性曲线离纵轴(U=O)更远；同时击穿电压更高，漏电流也较大，使得击穿特性曲线离横轴(I=0)稍远。图3为功率二极管的I-U特性曲线和电路图形符号。由图3a可见，通常功率二极管正向电压Ur很小，约为1V左右，正向电流IF很大，在几十安以上反向击穿电压UBD很高，在几百伏以上，反向漏电流IR很小，在毫安级以下；并且击穿特性曲线较直，具有所谓的“硬”特性。功率二极管的电路图形符号如图3b所示，阳极为A，阴极为K。  
  3. 特性参数
  功率二极管的静态特性参数包括正向平均电流IF(AV)、正向压降UF、反向击穿电压UBD及反向漏电流IR。动态特性参数包括开通时的正向恢复时间tfr，与正向峰值电压UFM；反向恢复电荷Qrr、反向恢复时间trr、反向恢复峰值电流lRM及软度因子S等。
  (1)正向平均电流IF(AV)  在规定的结温和散热条件下，允许流过的最大正弦半波电流平均值。
  (2)正向压降UF  指在一定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的管压降。
  (3)反向重复峰值电压URRM  所能重复施加的最高反向电压，为其雪崩击穿电压UB的2/3。URRM为功率二极管的额定电压。
  (4)反向漏电流In  反向截止时pn结的漏电流。
  (5)反向恢复时间trr  指反向恢复过程中，从IF过零到IR下降到其最大值的1/4时的时间间隔。由存储时间ts和下降时间tf组成。
  (6)反向恢复峰值电流IRM  反向恢复期间的反向电流最大值。
  (7)反向恢复电荷Qrr  反向恢复期间抽取的电荷量，可定义为反向电流对时间的积分。
  (8)软度因子S  反向恢复时间内的下降时间tf与存储时间ts的比值，是描述反向恢复特性软度的专用参数。 
  (9)浪涌电流IFSM  功率二极管所能承受的连续一个或几个工频周期的最大过电流。IFSM表征二极管抗短路冲击电流的能力。
  (10)最高工作结温TJM  在pn结不损坏的前提下，所能承受的最高平均温度(125~175℃)。
  在实际应用中，为了获得低的静态功耗，要求功率二极管的正向压降UF和反向漏电流IR尽可能小，且正向压降有正的温度系数(即dUF/dT>0)，高温漏电流也要小。为了获得低的开关功耗，并减小电磁干扰(EMI)，提高电力电子设备可靠性，要求功率二极管的正向恢复时间tfr短、正向峰值电压UFM低、反向恢复电荷Qrr、反向恢复时间trr短、反向恢复峰值电流IRM小，以及软度因子S大。



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