功率二極管結(jié)構(gòu)和工作原理

在本征半導(dǎo)體中摻入P型和N型雜質(zhì)，其交界處就形成了PN結(jié)，在PN結(jié)的兩端引出兩個(gè)電極，并在外面裝上管殼，就成為半導(dǎo)體二極管。如果一雜質(zhì)半導(dǎo)體和金屬形成整流接觸，并在兩端引出兩個(gè)電極，則成為肖特基二極管。
二極管的結(jié)構(gòu)和工作原理：
PN結(jié)的形成及二極管的單向?qū)щ娦悦枋鋈缦拢?br /> 如下圖1所示，對(duì)于一塊純凈的半導(dǎo)體，如果它的一側(cè)是P區(qū)，另一側(cè)為N區(qū)，則在P區(qū)和N區(qū)之間形成一交界面。N區(qū)的多子（電子）向P區(qū)運(yùn)動(dòng)，P區(qū)的多子（空穴）向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，這種由于濃度差異而引起的運(yùn)動(dòng)稱為“擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)”。擴(kuò)散到P區(qū)的電子不斷地與空穴復(fù)合，同時(shí)P區(qū)的空穴向N區(qū)擴(kuò)散，并與N區(qū)中的電子復(fù)合。交界面兩側(cè)多子復(fù)合的結(jié)果就出現(xiàn)了由不能移動(dòng)的帶電離子組成的“空間電荷區(qū)”。N區(qū)一側(cè)出現(xiàn)正離子區(qū)，P區(qū)一側(cè)出現(xiàn)負(fù)離子區(qū)，正負(fù)離子在交界面兩側(cè)形成一個(gè)內(nèi)電場(chǎng)。這個(gè)內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)起阻礙作用的同時(shí)，又有利于N區(qū)的少子（空穴）進(jìn)入P區(qū)，P區(qū)的少子（電子）進(jìn)入N區(qū)，這種在內(nèi)電場(chǎng)作用下少子的運(yùn)動(dòng)稱為“漂移運(yùn)動(dòng)”。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)有助于內(nèi)電場(chǎng)的加強(qiáng)，內(nèi)電場(chǎng)的加強(qiáng)將阻礙多子的擴(kuò)散，而有助于少子的漂移，少子漂移運(yùn)動(dòng)的加強(qiáng)又將削弱內(nèi)電場(chǎng)，又有助于多子的擴(kuò)散，最終擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)必在一定溫度下達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。即在單位時(shí)間內(nèi)P區(qū)擴(kuò)散到N區(qū)的空穴數(shù)量等于由P區(qū)漂移到N區(qū)的自由電子數(shù)量，形成彼此大小相等，方向相反的漂移電流和擴(kuò)散電流，交界面的總電流為零。在動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，交界面兩側(cè)缺少載流子的區(qū)域稱為“耗盡層“，這就形成了PN結(jié)。

如圖2所示，當(dāng)PN結(jié)處于正偏，即P區(qū)接電源正端，N區(qū)接電源負(fù)端時(shí)，外加電場(chǎng)與PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向相反，內(nèi)電場(chǎng)被削弱，耗盡層變寬，打破了PN結(jié)的平衡狀態(tài)，使擴(kuò)散占優(yōu)勢(shì)。多子形成的擴(kuò)散電流通過回路形成很大的正向電流，此時(shí)PN結(jié)呈現(xiàn)的正向電阻很小，稱為“正向?qū)у?rdquo;。當(dāng)PN結(jié)上流過的正向電流較小時(shí)，二極管的電阻主要是作為基片的低摻雜N區(qū)的歐姆電阻，其阻值較高且為常量，因而管壓降隨正向電流的上升而增加；當(dāng)PN結(jié)上流過的正向電流較大時(shí)，注入并積累在低摻雜N區(qū)的少子空穴濃度將很大，為了維持半導(dǎo)體電中性條件，其多子濃度也相應(yīng)大幅度增加，使得其電阻率明顯下降，也就是電導(dǎo)率大大增加，這就是電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使得PN結(jié)在正向電流較大時(shí)壓降仍然很低，維持在1V左右，所以正向偏置的PN結(jié)表現(xiàn)為低阻態(tài)，為保護(hù)PN結(jié)，通常要在回路中串聯(lián)一個(gè)限流電阻。

如圖3所示，當(dāng)PN結(jié)處于反偏，即P區(qū)接電源負(fù)端，N區(qū)接電源正端時(shí)，外加電場(chǎng)與PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向相同，內(nèi)電場(chǎng)被加強(qiáng)，耗盡層變寬，打破了PN結(jié)的平衡狀態(tài)，使漂移占優(yōu)勢(shì)。兩區(qū)的少子在內(nèi)電場(chǎng)作用下漂移過PN結(jié)形成了反向電流。因?yàn)樯僮訚舛群艿�，所以反向電流很小，而且在溫度一定時(shí)，少子的濃度基本保持恒定，故又稱反向電流為反向飽和電流，用Is表示。反偏的PN結(jié)所呈現(xiàn)的反向電阻很大，稱為“反向截止”。

由以上分析可知，PN結(jié)外加正向電壓時(shí)，表現(xiàn)為正向?qū)�通；外加反向電壓時(shí)，表現(xiàn)為反向截止，這就是PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴?br />     PN結(jié)具有一定的反向耐壓能力，但當(dāng)施加的反向電壓過大，反向電流將會(huì)急劇增大，破壞PN結(jié)反向偏置為截止的工作狀態(tài)，這就叫反向擊穿。反向擊穿按照機(jī)理不同有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種形式。反向擊穿發(fā)生時(shí)，只要外電路中采取了措施，將反向電流限制在一定范圍內(nèi)，則當(dāng)反向電壓降低后PN結(jié)仍可恢復(fù)原來的狀態(tài)。但如果反向電流未被限制住，使得反向電流和反向電壓的乘積超過了PN結(jié)容許的耗散功率，就會(huì)因熱量散發(fā)不出去而導(dǎo)致PN結(jié)溫度上升，直至過熱而燒毀，這就是熱擊穿。
PN結(jié)中的電荷量隨外加電壓而變化，呈現(xiàn)電容效應(yīng)，稱為結(jié)電容C-，又稱為微分電容。結(jié)電容按其產(chǎn)生機(jī)制和作用的差別分為勢(shì)壘電容CB和擴(kuò)散電容Cm勢(shì)壘電容只在外加電壓變化時(shí)才起作用，外加電壓頻率越高，勢(shì)壘電容作用越明顯。勢(shì)壘電容的大小與PN結(jié)截面積成正比，與阻擋層厚度成反比，而擴(kuò)散電容僅在正向偏置時(shí)起作用。在正向偏置時(shí)，當(dāng)正向電壓較低時(shí)，勢(shì)壘電容為主；正向電壓較高時(shí)，擴(kuò)散電容為結(jié)電容主要成分。結(jié)電容影響PN結(jié)的工作頻率，特別是在高速開關(guān)的狀態(tài)下，可能使其單向?qū)щ娦宰儾�，甚至不能工作，�?yīng)用時(shí)應(yīng)加以注意。
在PN結(jié)的兩端引出兩個(gè)電極，并用管殼封裝便就成為二極管，如圖4所示。P區(qū)的引出線稱為陽極，N區(qū)的引出線稱為陰極。

    功率二極管的基本結(jié)構(gòu)、工作原理與普通的小功率二極管均是一樣的，都是由半導(dǎo)體PN結(jié)構(gòu)成的，具有單向?qū)щ娦�，在電路中起正方向�(qū)�通電流、反方向阻斷電流的作用。功率二極管的電氣符號(hào)與普通二極管也一樣，如圖4所示。與普通二極管不同的是功率二極管的PN結(jié)面積較大，因此過流能力增強(qiáng)了，可以通過較大的電流。
功率二極管的導(dǎo)通和截止不能通過控制電路進(jìn)行控制，而是完全取決于其兩端外加電壓的方向和大小，因此成為不可控器件。
    由于功率二極管正向?qū)�通時(shí)要流過很大的電流，其電流密度較大，因而額外載流子的注入水平較高，電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)不能忽略，而且其引線和焊接電阻的壓降等都有明顯的影響；再加上其承受的電流變化率di/dt較大，因而其引線和器件自身的電感效應(yīng)也會(huì)有較大影響。此外，為了提高反向耐壓，其摻雜濃度低也造成正向壓降較大。這些都使得功率二極管與信息電子電路中的普通二極管有所區(qū)別。
還應(yīng)特別指出，當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，由于熱激發(fā)使半導(dǎo)體內(nèi)載流于的濃度增加，因此PN結(jié)反向飽和電流將增大。這是造成半導(dǎo)體器件工作時(shí)不穩(wěn)定的重要因索，在實(shí)際應(yīng)用中必須加以考慮。