功率二極管結構和工作原理

1、功率二極管結構和工作原理功率二極管結構和工作原理在本征半導體中摻入P型和N型雜質，其交界處就形成了PN結，在PN結的兩端引出兩個電極，并在外面裝上管殼，就成為半導體二極管。如果一雜質半導體和金屬形成整流接觸，并在兩端引出兩個電極，則成為肖特基二極管。二極管的結構和工作原理：PN結的形成及二極管的單向導電性描述如下：如下圖1所示，對于一塊純凈的半導體，如果它的一側是P區(qū)，另一側為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)運動，P區(qū)的多子（空穴）向N區(qū)運動，這種由于濃度差異而引起的運動稱為“擴散運動”。擴散到P區(qū)的電子不斷地與空穴復合，同時P區(qū)的空穴向N區(qū)擴散，并與N區(qū)中的電子

2、復合。交界面兩側多子復合的結果就出現(xiàn)了由不能移動的帶電離子組成的“空間電荷區(qū)”。N區(qū)一側出現(xiàn)正離子區(qū)，P區(qū)一側出現(xiàn)負離子區(qū)，正負離子在交界面兩側形成一個內電場。這個內電場對多子的擴散運動起阻礙作用的同時，又有利于N區(qū)的少子（空穴）進入P區(qū)，P區(qū)的少子（電子）進入N區(qū)，這種在內電場作用下少子的運動稱為“漂移運動”。擴散運動有助于內電場的加強，內電場的加強將阻礙多子的擴散，而有助于少子的漂移，少子漂移運動的加強又將削弱內電場，又有助于多子的擴散，最終擴散運動和漂移運動必在一定溫度下達到動態(tài)平衡。即在單位時間內P區(qū)擴散到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

3、移電流和擴散電流，交界面的總電流為零。在動態(tài)平衡時，交界面兩側缺少載流子的區(qū)域稱為“耗盡層“，這就形成了PN結。L-1t-rPl型間電荷區(qū)1N*OS© * O © O 0*0*0 I JI it- » © o o I01QlQ 0©。 o o o il-lllla-. I 0 0 0a oo©0 。OG.二._；圖1PN結空間電荷區(qū)如圖2所示，當PN結處于正偏，即P區(qū)接電源正端，N區(qū)接電源負端時，外加電場與PN結內電場方向相反，內電場被削弱，耗盡層變寬，打破了PN結的平衡狀態(tài)，使擴散占優(yōu)勢。多子形成的擴散電流通過回路形成很大的正向電流

4、，此時PN結呈現(xiàn)的正向電阻很小，稱為“正向導逋”。當PN結上流過的正向電流較小時，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PN結上流過的正向電流較大時，注入并積累在低摻雜N區(qū)的少子空穴濃度將很大，為了維持半導體電中性條件，其多子濃度也相應大幅度增加，使得其電阻率明顯下降，也就是電導率大大增加，這就是電導調制效應。電導調制效應使得PN結在正向電流較大時壓降仍然很低，維持在1V左右，所以正向偏置的PN結表現(xiàn)為低阻態(tài)，為保護PN結，通常要在回路中串聯(lián)一個限流電阻?？誒il電荷風0iO*0*0O©!©圖2外加正向電壓

5、時的PN縮如圖3所示，當PN結處于反偏，即P區(qū)接電源負端，N區(qū)接電源正端時，外加電場與PN結內電場方向相同，內電場被加強，耗盡層變寬，打破了PN結的平衡狀態(tài)，使漂移占優(yōu)勢。兩區(qū)的少子在內電場作用下漂移過PN結形成了反向電流。因為少子濃度很低，所以反向電流很小，而且在溫度一定時，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結所呈現(xiàn)的反向電阻很大，稱為“反向截止”。L電中.電場窣片e-圖3外加反向電壓晡的PN結由以上分析可知，PN結外加正向電壓時，表現(xiàn)為正向導通；外加反向電壓時，表現(xiàn)為反向截止，這就是PN結的單向導電性。PN結具有一定的反向耐壓能力，但當施加的反向電

6、壓過大，反向電流將會急劇增大，破壞PN結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，只要外電路中采取了措施，將反向電流限制在一定范圍內，則當反向電壓降低后PN結仍可恢復原來的狀態(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結容許的耗散功率，就會因熱量散發(fā)不出去而導致PN結溫度上升，直至過熱而燒毀，這就是熱擊穿。PN結中的電荷量隨外加電壓而變化，呈現(xiàn)電容效應，稱為結電容C-,又稱為微分電容。結電容按其產生機制和作用的差別分為勢壘電容CB和擴散電容Cm勢壘電容只在外加電壓變化時才起作用，外加電壓頻率越高，勢壘電容

7、作用越明顯。勢壘電容的大小與PN結截面積成正比，與阻擋層厚度成反比，而擴散電容僅在正向偏置時起作用。在正向偏置時，當正向電壓較低時，勢壘電容為主；正向電壓較高時，擴散電容為結電容主要成分。結電容影響PN結的工作頻率，特別是在高速開關的狀態(tài)下，可能使其單向導電性變差，甚至不能工作，應用時應加以注意。在PN結的兩端引出兩個電極，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。木VD圖4半導體二極皆的結強卜圖形符號G第杓b）圖形符號功率二極管的基本結構、工作原理與普通的小功率二極管均是一樣的，都是由半導體PN結構成的，具有單向導電性，在電路中起正方向導通電流、反方向阻斷電流的作用。功率二極管的電氣符號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結面積較大，因此過流能力增強了，可以通過較大的電流。功率二極管的導通和截止不能通過控制電路進行控制，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導通時要流過很大的電流，其電流密度較大，因而額外載流子的注入水平較高，電導調制效應不能忽略，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也會有較大影響。此外，為了提高反向耐壓，其摻雜濃度