單元2功率二極管

第2章功率二極管2.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)2.2常見的半導(dǎo)體分立器件2.3功率二極管2.4功率二極管的散熱措施2.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)

一、半導(dǎo)體的基本特性

(1)室溫電阻率約在10-3～106Ωcm，介于金屬和絕緣體之間。

良好的金屬導(dǎo)體:10-6Ωcm

典型絕緣體:1012Ωcm(2)具有負(fù)的溫度系數(shù)，即電阻一般隨溫度上升而下降；金屬的電阻隨溫度上升而上升。(3)具有較高的溫差電動勢率，而且溫差電動勢可為正或為負(fù)；金屬的溫差電動勢率總是負(fù)的。(4)與適當(dāng)金屬接觸或做成P-N結(jié)后，電流與電壓呈非線性關(guān)系，具有整流效應(yīng)。(5)具有光敏性，用適當(dāng)?shù)墓庹蘸蟛牧虾箅娮杪蕰l(fā)生變化，產(chǎn)生光電導(dǎo)；(6)半導(dǎo)體中存在電子和空穴兩種載流子。(7)雜質(zhì)的存在對電阻率產(chǎn)生很大的影響。上述這些特性使半導(dǎo)體有別與金屬和絕緣體而自歸一類,需要指出的是,半導(dǎo)體與金屬和絕緣體之間并不存在嚴(yán)格界限。常見的半導(dǎo)體材料元素半導(dǎo)體化合物半導(dǎo)體硅（Si）鍺（Ge）Ⅲ族元素[如鋁(Al)、鎵(Ga)、銦(在)]和Ⅴ族元素[如磷(P)、砷(同樣地)、銻(Sb)]合成的Ⅲ-Ⅴ族化合物都是半導(dǎo)體材料二、半導(dǎo)體與金屬中的載流子電導(dǎo)率：金屬中的載流子濃度與原子密度同數(shù)量級，且不隨溫度變化而明顯變化，其典型值為1022～1023cm-3μ—遷移率（載流子在單位電場中的漂移速度）金屬中的載流子只有電子（價電子）半導(dǎo)體中的載流子有電子和空穴電導(dǎo)率：n、p是電子和空穴的濃度μn、μp為電子和空穴的遷移率本征半導(dǎo)體：完全潔凈的、原子周期性排列電導(dǎo)率：本征載流子濃度：在室溫（T=300K）下：

ni

（Ge）≌2.4×1013cm-3

ni

（Si）≌1.5×1010cm-3

ni

（GaAs）≌1.6×106cm-3本征載流子濃度和樣品溫度的關(guān)系雜質(zhì)半導(dǎo)體：本征半導(dǎo)體內(nèi)摻入微量的雜質(zhì)，使半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力顯著變化，這種半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體半導(dǎo)體中雜質(zhì)：施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)多數(shù)載流子：P型半導(dǎo)體中的空穴、N型半導(dǎo)體中的電子稱為多數(shù)載流子少數(shù)載流子：P型半導(dǎo)體中的電子、N型半導(dǎo)體中的空穴稱為少數(shù)載流子P型半導(dǎo)體：主要依靠空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體（摻入三價元素）N型半導(dǎo)體：主要依靠電子導(dǎo)電的半導(dǎo)體（摻入五價元素）雜質(zhì)半導(dǎo)體中的載流子來源于：本征激發(fā)和雜質(zhì)電離n型Si中電子濃度n與溫度T的關(guān)系：雜質(zhì)離化區(qū)飽和區(qū)本征激發(fā)區(qū)半導(dǎo)體導(dǎo)電具有熱敏性，因此器件都有一定的工作溫度結(jié)論：三、PN結(jié)1.PN結(jié)的形成2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?.PN結(jié)的穿通4.PN結(jié)的反向擊穿5.PN結(jié)的電容效應(yīng)6.PN結(jié)的動態(tài)特性

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?1.PN結(jié)的形成PN結(jié)是指P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的結(jié)合部空間電荷層P型N型合金法——形成突變結(jié)，雜質(zhì)濃度、摻雜厚度不易控制，早期電力半導(dǎo)體器件采用擴散工藝——形成緩變結(jié)，大功率電子器件采用離子注入

——最高注入深度只有20um，只在電力半導(dǎo)體器件制造業(yè)中小范圍使用外延生長——容易獲得理想的突變結(jié)，但生長層越厚，晶體結(jié)構(gòu)的完美性越不易保證，對襯底表面要求較高，因而在電力器件，特別是高耐壓的器件制造工藝中較少采用，但在功率集成電路和一些新型的電力器件制造工藝中則被普遍采用，如快恢復(fù)二極管。形成PN結(jié)的工藝技術(shù)ThermalEquilibriumConditionPNHoleSilicon(p-type)Silicon(n-type)ThermalEquilibriumCondition2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)的電流電壓關(guān)系：

I=IS[exp(qV/kT)-1]IS—是反向飽和電流

V—外加電壓3.PN結(jié)的穿通——是指空間電荷區(qū)隨反向電壓的升高而展寬到與電極接通而發(fā)生的短路現(xiàn)象。需要承受很高的反向電壓而正向?qū)〞r的電流容量又要很大的PN結(jié)比較容易碰到穿通問題空間電荷區(qū)P+nPN結(jié)的穿通4.PN結(jié)的反向擊穿

PN結(jié)反向電壓增加過大，達(dá)到反向擊穿電壓VBR時，反向電流將會急劇增加，破壞了PN結(jié)反向偏置為截止的工作狀態(tài)，這種狀態(tài)稱為反向擊穿。雪崩擊穿齊納擊穿熱擊穿PN結(jié)的反向擊穿型式：雪崩擊穿雪崩擊穿是電力半導(dǎo)體器件中最常見的擊穿現(xiàn)象。為同時滿足正反兩種偏置狀態(tài)要求（正向?qū)娏魅萘看蟆⒎聪蚰蛪焊撸?，功率器件的PN結(jié)通常為單邊突變結(jié)。

擊穿機理：反向電壓VR↑—>空間電荷區(qū)內(nèi)電場強度↑—>載流子漂移運動的動能↑—>與晶體原子發(fā)生碰撞使之電離—>空間電荷層載流子濃度↑（數(shù)目倍增）—>反向電流IR↑—>單向?qū)щ娦栽獾狡茐模〒舸?/p>

雪崩擊穿通常發(fā)生在空間電荷區(qū)較寬的輕摻雜一側(cè)，對于單邊突變結(jié)，雪崩擊穿電壓UB隨著輕摻雜區(qū)的雜質(zhì)濃度的升高而下降。如硅P+N結(jié)的雪崩擊穿電壓：

UB=1.69×1018N-3/4特點：當(dāng)N從1019升高到5×1020m-3，

UB從大約9500V下降到500V左右。

2、齊納擊穿（隧道擊穿）擊穿機理：反向電壓VR↑—>能帶彎曲量↑

—>P區(qū)與N區(qū)之間能帶間距↓—>隧道電流↑—>反向電流IR

↑—>單向?qū)щ娦栽獾狡茐模〒舸┨攸c：齊納擊穿在重?fù)诫sPN結(jié)中才會發(fā)生。主要取決于空間電荷區(qū)內(nèi)的最大電場（一般約為2×105V/cm）

摻雜濃度越高，齊納擊穿電壓越低。雪崩擊穿和隧道擊穿的主要區(qū)別隧道擊穿主要取決于空間電荷區(qū)中的最大電場；雪崩擊穿除了與電場有關(guān)外,還與空間電荷區(qū)寬度有關(guān)。雪崩擊穿是碰撞電離的結(jié)果，如果用光照等其他辦法，同樣會有倍增效應(yīng)；而上述外界作用對隧道擊穿則不會有明顯的影響。隧道擊穿電壓隨著溫度的增加而降低，溫度系數(shù)為負(fù)數(shù)；而雪崩擊穿電壓隨著溫度的增加而增加，溫度系數(shù)為正數(shù)。3、熱擊穿PN結(jié)中電流：T↑→Js↑→損耗↑→Tj↑→擊穿5、PN結(jié)的熱效應(yīng)理想PN結(jié)的電流電壓方程：二極管的電流在一定電壓下將是溫度的函數(shù)。TemperatureEffectsDiodecurrentwillincreaseasaspecificvoltageforbothbiaspolarities通態(tài)壓降UF是溫度的函數(shù)。在電流密度較小時，其溫度系數(shù)是負(fù)數(shù)。電流密度較大時，其溫度系數(shù)為正。

PN結(jié)的反向電流會隨著結(jié)溫的上升而增大。溫度升高還會使得PN結(jié)的雪崩擊穿電壓UB提高。為避免這些熱效應(yīng)嚴(yán)重影響結(jié)型器件的穩(wěn)定性，必須采用有效的散熱措施，因而電力電子裝置中的功率器件大多安裝在帶特制散熱器的基座上。6、PN結(jié)的電容效應(yīng)

PN結(jié)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CJ，又稱為微分電容。結(jié)電容按其產(chǎn)生機制和作用的差別可分為勢壘電容CT和擴散電容CD

。1、勢壘電容（CT）：

PN結(jié)外加電壓變化—>空間電荷層寬度變化—>PN結(jié)空間電荷層電荷量變化—>電容效應(yīng)勢壘電容在外加電壓變化時才起作用，外加電壓頻率越高，勢壘電容的作用越顯著。勢壘電容的大小與PN結(jié)截面積成正比，與阻擋層的厚度成反比2、擴散電容CD：

PN結(jié)耗盡層外擴散長度內(nèi)存儲的電荷數(shù)，隨外加電壓變化，正向電流越大，存儲的電荷越多。亦表現(xiàn)出電容效應(yīng)。稱為擴散電容3、CT、CD隨電壓在CJ中所占的比例：正向偏置條件下，當(dāng)正電壓較低時，擴散運動較弱，勢壘電容占主要成份；正向電壓較高時，擴散運動加劇，使擴散電容按指數(shù)規(guī)律上升，成為PN結(jié)的主要成份。反向偏置狀態(tài)下，因擴散運動被抑制，因而表現(xiàn)出較小的擴散電容，因此PN結(jié)電容以勢壘電容為主。CVCDCTCT、CD隨外加電壓變化的關(guān)系圖

P區(qū)向N區(qū)注入空穴，在N區(qū)形成少數(shù)載流子積累，與N區(qū)的電子復(fù)合而形成少子濃度梯度，隨著正向電流的上升，少數(shù)載流子的積累增多，少子濃度梯度變緩。少子空穴濃度分布在大部分高阻N區(qū)。因為注入的少子濃度遠(yuǎn)高于N區(qū)的平衡少子濃度，因而使得N區(qū)的電阻率下降，電導(dǎo)增加。1、PN結(jié)的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)（以P+N為例）7、PN結(jié)的動態(tài)特性NP+px△p

正偏P+N結(jié)的N區(qū)少子電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的載流子分布示意圖利用二極管正、反向電流相差懸殊這一特性，可以把二極管作開關(guān)使用。當(dāng)開關(guān)K打向A時，二極管處于正向，電流很大，相當(dāng)于接有負(fù)載的外回路與電源相連的開關(guān)閉合，回路處于接通狀態(tài)（開態(tài)）；若把K打向B，二極管處于反向，反向電流很小，相當(dāng)于外回路的開關(guān)斷開，回路處于斷開狀態(tài)（關(guān)態(tài)）。

在開態(tài)時，流過負(fù)載的穩(wěn)態(tài)電流為I1

V1為外加電源電壓，VJ為二極管的正向壓降，對硅管VJ約為0.7V，鍺管VJ約為0.3V，RL為負(fù)載電阻。通常VJ遠(yuǎn)小于V1，所以上式可近似寫為在關(guān)態(tài)時，流過負(fù)載的電流就是二極管的反向電流IR。把二極管作為開關(guān)使用時，若回路處于開態(tài)，在“開關(guān)”（即二極管）上有微小壓降；當(dāng)回路處于關(guān)態(tài)時，在回路中有微小電流，這與一般的機械開關(guān)有所不同。說明LP貯存電荷Q載流子濃度x電荷的貯存效應(yīng)PN結(jié)由正偏突然轉(zhuǎn)為反偏時，在N區(qū)正向偏壓下積累的非平衡載流子空穴將會首先被空間電荷區(qū)中的強電場抽回P區(qū)，形成很大的反向電流IR，直至額外空穴抽到一定程度其值才開始下降，又經(jīng)過一段時間才達(dá)到反向飽和電流值是P+N2、關(guān)斷過程存儲時間ts：反向電流基本不變下降時間tf：電流由IR降至0.1IR所經(jīng)歷的時間反向恢復(fù)時間：toff=ts+tf注意：在存儲時間以內(nèi)，結(jié)電壓仍為正值設(shè)由P+區(qū)通過空間電荷區(qū)注入N區(qū)的空穴數(shù)目在時刻t為NP（t），單位時間內(nèi)因復(fù)合而在N區(qū)消失的空穴數(shù)在時刻t時為NP（t）/τp，而單位時間內(nèi)積累在N區(qū)中的空穴數(shù)目在時刻t時則可用NP（t）隨時間改變的微分速率dNP（t）/dt來表示。正向電流瞬態(tài)值：若穩(wěn)定狀態(tài)時，正向電流為IF，N區(qū)正電荷總量為QP則：存儲時間ts主要有兩個因素決定一是存儲區(qū)少數(shù)載流子壽命。二是正向注入電流和反向抽取電流的相對大小。提高PN結(jié)開關(guān)速度的途徑：一、從電流角度考慮，可以減小正向注入電流和增大抽取電流（即初始反向電流）IR。二、從結(jié)構(gòu)角度考慮，就是降低少數(shù)載流子的壽命。器件制造工藝中常摻入某些特殊雜質(zhì)（如金、鉑、銅、鎳等）的方法來縮短少子壽命，這是提高開關(guān)速度最主要的方法。摻金二極管的反向恢復(fù)時間是未摻金的幾十分之一。1.為什么電子遷移率高于空穴遷移率?2.為什么鍺((Ge)管收音機在環(huán)境溫度稍高時不能正常工作？3.硅pn結(jié)接觸電勢差為0.7V，能否用萬用表像測電池那樣測出該值?為什么?4.為什么pn結(jié)能作為整流用？5.為什么正偏pn結(jié)壓降不隨正向電流成比例增長?pn結(jié)正向壓降大小決定于什么？思考題：6.P+N結(jié)雪崩擊穿發(fā)生在P側(cè)還是N側(cè)？為何N區(qū)濃度上升，擊穿電壓UB下降?7.PN結(jié)反向電壓時有無擴散電容效應(yīng)?為什么要用微分電容來衡量PN結(jié)電容?思考題：?半導(dǎo)體二極管（DIODE)?雙極型晶體管

(TRANSISTOR)?晶閘管（SCR）?場效應(yīng)晶體管(FET,FieldEffectTransistor)一、常用半導(dǎo)體分立器件及其分類2.2功率二極管普通二極管齊納二極管(ZENERDIODE)整流二極管發(fā)光二極管（LED）LED燈三極管場效應(yīng)管（MOSFET)順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系晶閘管晶閘管國產(chǎn)半導(dǎo)體分立器件的型號命名半導(dǎo)體三極管的型號國家標(biāo)準(zhǔn)對半導(dǎo)體三極管的命名如下:3

D

G

110B

第二位：A鍺PNP管、B鍺NPN管、

C硅PNP管、D硅NPN管

第三位：X低頻小功率管、D低頻大功率管、

G高頻小功率管、A高頻大功率管、K開關(guān)管用字母表示材料用字母表示器件的種類用數(shù)字表示同種器件型號的序號用字母表示同一型號中的不同規(guī)格三極管普通二極管：整流二極管、檢波二極管、穩(wěn)壓二極管、恒流二極管、開關(guān)二極管等；特殊二極管：微波二極管、變?nèi)荻O管、雪崩二極管、SBD、TD、PIN、TVP管等；敏感二極管：光敏二極管、熱敏二極管、壓敏二極管、磁敏二極管；發(fā)光二極管。半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管特點：按照結(jié)構(gòu)工藝不同，可分為點接觸型和面接觸型。按照制造材料不同，可分為鍺管和硅管。點接觸型結(jié)電容小，適用于高頻電路。面接觸型可通過較大的電流，多用于頻率較低的整流電路。鍺管正向?qū)妷杭s為0.2V，反向漏電流大，溫度穩(wěn)定性較差。硅管反向漏電流小，正向?qū)妷杭s為0.7VSPICEModelforp-nDiode二、功率二極管1、功率二極管的結(jié)構(gòu)2、伏安特性3、功率開關(guān)特性4、性能參數(shù)1、功率二極管的結(jié)構(gòu)功率二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號

a)外形b)結(jié)構(gòu)c)電氣圖形符號以半導(dǎo)體PN結(jié)為基礎(chǔ)由一個面積較大的PN結(jié)和兩端引線

以及封裝組成的（垂直結(jié)構(gòu)型）從外形上看，主要有螺栓型和平板型兩種封裝基本結(jié)構(gòu)和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣，具有單向?qū)щ娦訮N結(jié)的正向?qū)顟B(tài)

電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使得PN結(jié)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(jié)表現(xiàn)為低阻態(tài)

PN結(jié)反向阻斷狀態(tài)二極管的許多工作特性都主要由輕摻雜區(qū)的雜質(zhì)濃度決定，濃度越低，二極管的擊穿電壓越高。但雜質(zhì)濃度降低之后，必然引起正向電阻RF增大，導(dǎo)致功耗增加，結(jié)溫上升。因此低摻雜區(qū)的雜質(zhì)濃度不能過低，對于大多數(shù)硅功率二極管來說，輕摻雜區(qū)的雜質(zhì)濃度就是原始硅片本身的雜質(zhì)濃度，因而硅片電阻率的不均勻性常常會直接導(dǎo)致二極管的反向穿通，從而使反向耐壓能力下降。JunctionBreakdownWhowilldiethefirst?一類是臺面造型，即將硅片邊沿磨成斜角，適合于面積較大的大功率二極管。提高功率二極管的反向阻斷能力，避免表面擊穿，其PN結(jié)外露處通常都經(jīng)過了特殊的造型處理。正斜角pn結(jié)的勢壘區(qū)正斜角：斜角結(jié)構(gòu)減小了pn結(jié)輕摻雜一側(cè)的器件面積，表面處的耗盡層會擴大，減弱了表面的電場，使器件的擊穿電壓接近平面結(jié)小負(fù)角時的pn結(jié)勢壘區(qū)斜角技術(shù)的缺點是減小了器件的有效面積，同時由于增大了空間電荷層的厚度，因而增大了反向電流中的產(chǎn)生和復(fù)合的分量。該技術(shù)僅適用于全硅片器件。ES/107V/m030609060300

負(fù)斜角

正斜角321表面電場對斜角的依賴關(guān)系如右圖所示最優(yōu)的正斜角角度為30°~60°負(fù)斜角很尖銳（小于10°）如在P+N結(jié)的表面露頭處擴散一個低摻雜的P型環(huán)，將表面的P+N結(jié)變成PN結(jié)，從而使空間電荷層變寬，提高了其反向擊穿電壓。適用于功率較小的高反壓二極管。另一類是加保護(hù)環(huán)（也稱終端延伸技術(shù)）只要數(shù)目足夠多，擊穿電壓就可以接近平面結(jié)的理想值。也可以兩者結(jié)合起來使用，以提高反向擊穿電壓。器件設(shè)計者的目標(biāo)之一就是利用最小的附加硅面積，得到盡可能接近VBR的擊穿電壓。2、功率二極管的特性(1)伏安特性二極管具有單向?qū)щ娔芰?，二極管正向?qū)щ姇r必須克服一定的門坎電壓Uth(又稱死區(qū)電壓)，當(dāng)外加電壓小于門坎電壓時，正向電流幾乎為零。硅二極管的門坎電壓約為0.5V，當(dāng)外加電壓大于Uth后，電流會迅速上升。當(dāng)外加反向電壓時，二極管的反向電流IS是很小的，但是當(dāng)外加反向電壓超過二極管反向擊穿電壓UBR后二極管被電擊穿，反向電流迅速增加。功率二極管的伏安特性(2)開關(guān)特性對于高頻應(yīng)用中的功率二極管，除了功率消耗和反向阻斷能力外，它在導(dǎo)通過程和關(guān)斷過程中的瞬態(tài)特性也是不容忽視的，某些時候甚至?xí)仙秊榈谝晃坏闹匾獑栴}。功率二極管的動態(tài)過程波形a)正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置

b)零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置IRP——電流過沖最大值URP——電壓過沖最大值td——延遲時間tf——電流下降時間trr=td+tf——反向恢復(fù)時間電壓過沖現(xiàn)象一、開通過程正向電壓會隨著電流的上升首先出現(xiàn)一個過沖，然后才逐漸趨于穩(wěn)定。電壓過沖的物理機制：一是阻性機制，即少數(shù)載流子的電導(dǎo)調(diào)制作用。在導(dǎo)通初期，二極管的電阻主要是低摻雜的N區(qū)的歐姆電阻，其值頗高，且為一常量，因而管壓降隨著電流的上升而升高。但是當(dāng)電流上升到一定的數(shù)值時，注入并積累在低摻雜N區(qū)的少數(shù)載流子空穴不斷增加，使其電阻明顯下降，這就是電導(dǎo)調(diào)制作用。電導(dǎo)調(diào)制使N區(qū)的有效電阻隨著正向電流的上升而下降，管壓降即隨之降低，從而形成一個峰值UFP。P+N二是感性機制。是指正向電流隨著時間上升在器件內(nèi)部的電感上產(chǎn)生壓降。器件內(nèi)部的電感由硅片電感和電極電感兩部分。顯然電感壓降只存在于電流上升過程中，正向電流漸趨穩(wěn)定時即為零。由于有電感壓降的存在，因而峰值電壓UFP必是電流上升率di/dt的函數(shù)，di/dt越大，UFP也就越高。UFP中的阻性分量只在di/dt較小時才起主要作用。描述二極管開通過程特征參數(shù)除了di/dt和UFP外，還有一個正向恢復(fù)時間tfrTfr

定義：正向電壓從零經(jīng)最大值UFP降至接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個瞬態(tài)值所需要的時間。對于硅功率二極管，該瞬態(tài)值通常定為2V。二、關(guān)斷過程當(dāng)二極管上的偏置電壓的極性由正向變成反向時，該二極管并不能立即關(guān)斷，必須經(jīng)過一個短暫時間后才能獲得反向阻斷能力，進(jìn)入關(guān)斷狀態(tài)。在關(guān)斷之前會有顯著的反向電流出現(xiàn)，并伴有明顯的反向電壓過沖。二極管從導(dǎo)通到截止的過渡過程與反向恢復(fù)時間trr、最大反向電流值IRM，與二極管PN結(jié)結(jié)電容的大小、導(dǎo)通時正向電流IFR所對應(yīng)的存儲電荷Q、電路參數(shù)以及反向電流di/dt等都有關(guān)。關(guān)斷過程自時刻tF開始，這時加在二極管上的偏置電壓反向，正向電流IF以速率diF/dt下降，其值由開關(guān)電路的外電感L和反向電壓UR決定即對P+N結(jié)型二極管而言，隨著電流的減小，存儲在高阻N區(qū)的額外空穴的電導(dǎo)調(diào)制作用被削弱，加上器件內(nèi)部電感的作用，管壓降UF暫無明顯變化，即便電流過零的時刻t0也只是有輕微下降，且仍為正向電壓。由于時刻t1的電流變化率di/dt=0，因而此時電感上的電壓迅速下降至零，反向電壓UR直接加在二極管上。然而在時刻t1之后，由于反向電流迅速下降，在電路電感中產(chǎn)生反向感生電動勢疊加在二極管上，而發(fā)生反沖至極大值URP，并在時刻t2附近下降至UR。當(dāng)空間電荷區(qū)附近的額外空穴即將抽盡，致使沿P+N方向的額外空穴電荷密度差△PN>0時，管壓降即變?yōu)樨?fù)極性。這時流經(jīng)二極管的反向電流達(dá)到極大值IRP，然后迅速下降?？臻g電荷區(qū)迅速展寬，二極管重新獲得反向阻斷能力。二極管的反向恢復(fù)時間trr:普通二極管trr一般為25us左右，如國產(chǎn)ZP系列的硅整流二極管?？旎謴?fù)二管也稱開關(guān)二極管，trr通常小于5us左右，如國產(chǎn)ZK系列的硅快速二極管低于50ns稱為超快恢復(fù)二極管恢復(fù)系數(shù)Sr定義：

Sr越大，二極管的恢復(fù)性能越軟。下圖為幾種二極管的瞬態(tài)電流波形，由于階躍二極管在關(guān)斷過程中di/dt越高，則過沖峰值電壓URP越高。3、功率二極管的主要參數(shù)圖為常州銀河半導(dǎo)體有限公司快恢復(fù)二極管的主要參數(shù)指對二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓。一般取反向不重復(fù)峰值電壓URSM的80％稱為反向重復(fù)峰值電壓URRM，也被定義為二極管的額定電壓URR。顯然，URRM小于二極管的反向擊穿電壓URO。(1)反向重復(fù)峰值電壓URRM選用二極管的定額一般為其可能承受最高峰值電壓的兩倍(2)額定電流IF（AV）

二極管的額定電流IF被定義為其額定發(fā)熱所允許流過的最大工頻正弦半波電流平均值。其正向?qū)鬟^額定電流時的電壓降UFR一般為1～2V。當(dāng)二極管在規(guī)定的環(huán)境溫度（+40℃）和散熱條件下工作時，通過正弦半波電流平均值IF時，其管芯PN結(jié)溫升不超過允許值。若正弦電流的最大值為Im，則額定電流為(3)最大允許的全周期均方根正向電流IFrms

二極管流過半波正弦電流的平均值為IF時，與其發(fā)熱等效的全周期均方根正向電流IFrms為

由式(1-1)和(1-2)可得

應(yīng)用中應(yīng)按有效值相等條件來選取二極管的定額。(4)最大允許非重復(fù)浪涌電流IFSM

指二極管所能承受的最大的連續(xù)一個或幾個工頻周期的過電流。該值比二極管的額定電流要大得多。實際上它體現(xiàn)了二極管抗短路沖擊電流的能力。在PN結(jié)不受損壞的前提下，二極管所能承受的最高平均溫度。一般在125-175℃范圍內(nèi)。（5）最高工作結(jié)溫TJM指二極管由導(dǎo)通到截止、并恢復(fù)到自然阻斷狀態(tài)所需的時間。定義從二極管正向電流過零到其反向電流下降到其峰值的10%的時間間隔。與di/dt、TJ、IF有關(guān)。（6）反向恢復(fù)時間trr（7）正向壓降VFM當(dāng)功率二極管承受的正向電壓大到一定值（門檻電壓VTO），正向電流才開始明顯增加，處于穩(wěn)定的導(dǎo)通狀態(tài)。

與正向電流IF（IAV）對應(yīng)的電力二極管上的兩端電壓VF即為正向電壓降

（8）反向漏電流當(dāng)二極管施加反向電壓時，只有少數(shù)載流子引起的微小且數(shù)值恒定的反向漏電流反向漏電流是二極管的一個重要參數(shù)，反向漏電流越大，單向?qū)щ娦阅茉讲?。一般硅反向漏電流約為1uA至幾十微安，鍺約為幾十微安至幾百微安。

PN結(jié)漏電流隨溫度上升，急劇增大，一般溫度每升高10℃，其反向漏電流值約增加1倍。功率二極管屬于功率最大的半導(dǎo)體器件，現(xiàn)在其最大額定電壓、電流在8kV、6kA以上。二極管的參數(shù)是正確選用二極管的依據(jù)。4、特種二極管（1）快恢復(fù)二極管（2）穩(wěn)壓二極管（3）肖特基二極管1.普通二極管Line-frequencyDiodes——正向壓降可以設(shè)計的盡可能的低，但是通常trr較大，用于線性頻率的系統(tǒng)，耐壓幾千伏，電流幾千安。2.快恢復(fù)二極管Fast-recoveryDiodes——用于變頻電路，trr只有幾個微秒，功率二極管的耐壓為幾百伏，可以導(dǎo)通幾百安培。，反向恢復(fù)時間短<50ns，正向壓降低0.9V左右，反向耐壓一般在1200V以內(nèi)3.肖特基二極管SchottkyDiodes——導(dǎo)通壓降只有0.4V（forwardvoltagedrop）反壓為50-100V。反向恢復(fù)時間更短，10～40ns，不會有明顯的電壓過沖。缺點是當(dāng)提高反向耐壓時，正向壓降也會提高，多用于200V以下的低壓場合；反向漏電流也很大。（1）快恢復(fù)二極管一、FRD（FastRecoveryDiode

）采用擴散法和少子壽命控制技術(shù)制成，特點是反向恢復(fù)很快、成本低，但是反向恢復(fù)波形很硬。階躍二極管（硬恢復(fù)二極管）瞬態(tài)電流波形（a)階躍二極管的雜質(zhì)濃度分布E(b)少子濃度分布減速場階躍恢復(fù)二極管在PN結(jié)邊界處具有陡峭的雜質(zhì)分布區(qū)，從而形成“自建電場”。由于PN結(jié)在正向偏壓下，以少數(shù)載流子導(dǎo)電，并在PN結(jié)附近具有電荷存貯效應(yīng)，使其反向電流需要經(jīng)歷一個“存貯時間”后才能降至最小值（反向飽和電流值）。階躍恢復(fù)二極管的“自建電場”縮短了存貯時間，使反向電流快速截止，并產(chǎn)生豐富的諧波分量。利用這些諧波分量可設(shè)計出梳狀頻譜發(fā)生電路?？焖訇P(guān)斷（階躍恢復(fù)）二極管用于脈沖和高次諧波電路中。結(jié)構(gòu)特點：(a)外加電壓波形(b)普通二極管的單向?qū)щ娦?c)階躍二極管中的電流波形在左圖（a)所示的正弦電壓作用下,一般二極管具有單向?qū)щ娦?，其電流如圖（b）所示。但階躍二極管雖正向特性相同，但反向特性卻不一樣。當(dāng)外加反向電壓時，電流并不立即截止，而是有很大的反向電流流通，直到某一時刻后，才很快截止，如圖（C）所示。二、FRED（FastRecoveryEpitaxialDiode）是采用外延層及摻鉑進(jìn)行精確少子壽命控制技術(shù)制成。特點是成本較高、高溫性能好，提高了二極管的快速軟恢復(fù)性能，減小了開關(guān)損耗，減小了電磁干擾噪聲。其結(jié)構(gòu)剖面示意圖如下所示PinPin二極管基本結(jié)構(gòu)：如右圖所示，中間的i層一般用電阻率很高的p型或n型層代替，因為完全沒有雜質(zhì)的本征層很難實現(xiàn)。常將高阻p層稱為π層，高阻的n層稱為v層。故實際的pin二極管為pπn和pvn結(jié)構(gòu)。平面結(jié)構(gòu)p-i-nDiode零偏壓下，理想的pin二極管，i層沒有雜質(zhì)，相當(dāng)于耗盡層，n層和i層間存在電子濃度梯度，在其界面形成空間電荷區(qū)，n側(cè)為正，且很薄。同樣，p區(qū)靠近i層一邊存在負(fù)的空間電荷層，也很薄。所以電場均勻分布在高阻i區(qū)。E理想的pin二極管相當(dāng)于一個平板電容器pi=nipnnppinn、px正偏pin二極管載流子濃度分布正向偏壓下，P+、N+區(qū)分別有大量的空穴、電子注入到i區(qū)，在一定的濃度梯度下，向i區(qū)中心擴散，同時不斷復(fù)合。當(dāng)單位時間注入的電子空穴數(shù)和復(fù)合數(shù)相等時，電子和空穴達(dá)到穩(wěn)態(tài)分布。由于i區(qū)電中性要求，電子和空穴分布相同。注入的電子、空穴產(chǎn)生電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，使i區(qū)電導(dǎo)增加，在i區(qū)厚度不大于少子擴散長度時，呈現(xiàn)低阻抗，不同的正偏壓具有不同的電導(dǎo)，這時二極管處在導(dǎo)通狀態(tài)。等效電路如右圖所示圖中Rf為正向結(jié)電阻、CJ為結(jié)電容、RS為P+、N+區(qū)的體電阻和接觸電阻之和反偏壓下，由于i區(qū)電阻率很高，反向偏壓主要降落在i區(qū)，p區(qū)、n區(qū)耗盡層寬度變大，i區(qū)耗盡層寬度隨電壓增加更快，當(dāng)電壓增加到一定值時，整個i區(qū)都成為耗盡層，即i區(qū)穿通，變?yōu)楦咦鑼?，使pin二極管處于關(guān)斷。上圖為尚有部分未耗盡的pin二極管的等效電路。在低頻時，pin二極管和pn二極管一樣可作整流元件使用，在微波頻率下，常作開關(guān)管使用。原理是當(dāng)信號頻率高到一定程度時，i區(qū)中載流子的注入與掃出跟不上信號的變化。從而使pin管失去整流作用，但可通過外加偏壓加以控制，使之在負(fù)偏壓下，即使微波信號是下半周，也能提供高阻抗，保持截止?fàn)顟B(tài)，而在正偏壓下，即使微波信號是下半周，也能提供低阻抗，保持導(dǎo)通狀態(tài)，從而對微波信號起到開關(guān)狀態(tài)。（2）穩(wěn)壓二極管一般為硅的擴散型或合金型。是反向擊穿特性曲線急驟變化的二極管，作為控制電壓和標(biāo)準(zhǔn)電壓使用而制作的。二極管工作時的端電壓（又稱齊納電壓）從3V左右到150V，按每隔10%，能劃分成許多等級。在功率方面，也有從200mW至100W以上的產(chǎn)品。工作在反向擊穿狀態(tài)，硅材料制作，動態(tài)電阻RZ很小，一般為2CW型；將兩個互補二極管反向串接以減少溫度系數(shù)則為2DW型。

▲硬擊穿（圖中曲線甲）：

BVCB0：集電結(jié)的雪崩擊穿電壓VB▲軟擊穿（圖中曲線乙）：

BVCB0比VB低使二極管擊穿特性“軟”化的直接原因主要是結(jié)平面或其周邊中存在擊穿電壓較低的弱點，這些局域性的弱點通過前后不齊的提前擊穿，使二極管整體擊穿前的反向電流增大，嚴(yán)重時使二極管的擊穿電壓難以確定，弱點問題主要是材料和制造工藝的均勻性問題。穩(wěn)定電壓額定值為15V的一個穩(wěn)定二極管的電流—電壓特性（圖a）及其應(yīng)用示意圖穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用在生產(chǎn)廠家規(guī)定的允許范圍內(nèi)，工作電流要盡可能選高一些（3）肖特基勢壘二極管（SBD）肖特基二極管是以其發(fā)明人肖特基博士（Schottky）命名的，SBD是肖特基勢壘二極管（SchottkyBarrierDiode,縮寫成SBD）的簡稱。是利用金屬與半導(dǎo)體接觸形成的金屬－半導(dǎo)體結(jié)原理制作的。是近年來間世的低功耗、大電流、超高速半導(dǎo)體器件。其反向恢復(fù)時間極短（可以小到幾納秒），正向?qū)▔航祪H0.4V左右，而整流電流卻可達(dá)到幾千安培。這些優(yōu)良特性是快恢復(fù)二極管所無法比擬的。肖特基二極管特點優(yōu)點：1、正向?qū)▔航档?、反向漏電流受溫度變化小3、動態(tài)特性好，工作頻率高缺點：1、反向漏電流大2、耐壓低目前主要使用的半導(dǎo)體材料有硅和砷化鎵二種。GaAs介電常數(shù)小、遷移率大，相對硅、鍺二極管，其結(jié)電容CJ和串聯(lián)體電阻小、截止頻率高、噪聲小，缺點是GaAs和金屬接觸的勢壘高度，一般比硅大，因而導(dǎo)通電壓比較高。由于電子的遷移率比空穴大，為獲得良好的頻率特性，故一般選擇n型的半導(dǎo)體材料作基片。材料、結(jié)構(gòu)和工藝為了減小SBD的結(jié)電容，提高反向擊穿電壓，同時又不使串聯(lián)電阻過大，通常是在N＋襯底上外延一高阻N－薄層。金屬材料應(yīng)選用與半導(dǎo)體接觸形成的勢壘高度較低的金屬。對于n-Si,常用的金屬有Ni、Mo、Ti、Pt對于n-GaAs，采用過的金屬有Au、Ag、Ni、Cr、Ti功率肖特基勢壘二極管主要是利用薄膜淀積技術(shù)在N型低阻硅上，淀積一層金屬（鉻、鉑、鎢、鉬等）制成。其結(jié)構(gòu)有二種，如右圖所示P型環(huán)與n型外延層構(gòu)成pn結(jié)，它與肖特基二極管并聯(lián)，肖特基二極管的正向壓降低于pn結(jié)的，不會影響肖特基二極管的正向特性，但反向狀態(tài)下，p區(qū)將增加邊緣勢壘層的曲率和半徑，反向特性得到明顯改善。（4）碳化硅肖特基二極管一、期待中的SiC器件隨著對大功率變換器、高速變換器的需求日益增加，開始感到硅功率器件的性能受到限制，面對廣闊的市場，不得不考慮一些新的材料，長遠(yuǎn)考慮金剛石是一理想的材料，近年來SiC材料越來越受到重視，有人預(yù)言：碳化硅是21世紀(jì)最好的電力電子器件材料。SiC晶體也是一種多晶型的，從物理參數(shù)看，與Si相比有以下特點：①帶隙寬度是硅的2~3倍②絕緣擊穿電場是硅的10倍③熱導(dǎo)為硅的3倍④本征溫度是硅的3~4倍這些特點決定了碳化硅是制作功率器件的理想材料

2000年5月4日，美國CREE公司和日本關(guān)西電力公司聯(lián)合宣布研制成功12.3kV的SiC功率二極管，其正向壓降VF在100A/cm2電流密度下為4.9V。這充分顯示了SiC材料制作功率二極管的巨大威力。作業(yè)：思考題1、為什么不能用負(fù)斜角做P+N結(jié)的終端造型2、正向特性好的PN二極管，其反向特性一般較差，為什么？3、決定PN二極管的trr因素有器件內(nèi)因與電路外因兩類，分別是什么？4、為什么PN結(jié)做高頻整流時常需并聯(lián)RC緩沖回路？1、提高功率二極管的反向阻斷能力，常采用哪些方法？2、肖特基二極管的優(yōu)缺點是什么？碳化硅肖特基二極管的優(yōu)點是什么？一、散熱原理二、散熱器及其安裝2.4功率二極管的散熱措施半導(dǎo)體器件的基本結(jié)構(gòu)是PN結(jié)，而PN結(jié)的性能與溫度密切相關(guān)，為了保證器件正常工作，必須規(guī)定最高允許的結(jié)溫Tjm,與最高結(jié)溫對應(yīng)的器件的耗散功率即是器件允許的最大的耗散功率。器件正常工作時不能超過最高結(jié)溫和功率的最大允許值，否則器件的特性與參數(shù)將要發(fā)生變化，甚至因為電極或半導(dǎo)體層的熔化而永久失將效。但電力電子器件在傳遞和處理電能的同時，也要通過電-熱轉(zhuǎn)換消耗一部分電能。為了保持器件的正常工作，由消耗電能轉(zhuǎn)換而成的熱量必須及時傳出器件并有效的散發(fā)掉。這就涉及到散熱原理與散熱措施兩方面的內(nèi)容。一、散熱原理自然散熱的方式（熱力學(xué)原理）熱傳導(dǎo)熱對流熱輻射電力電子器件的主要發(fā)熱部位在半導(dǎo)體芯片內(nèi)部，由消耗電能產(chǎn)生的熱量首先通過熱傳導(dǎo)轉(zhuǎn)移到管座（外殼的底座）和散熱器上，然后經(jīng)熱傳導(dǎo)、對流和輻射等多種傳熱形式散發(fā)給空氣或水等吸收介質(zhì)。在這些散熱方式中，輻射散熱的熱量很少，通常只占1%-2%半導(dǎo)體功率器件安裝示意圖在利用空氣散熱的自然冷卻和風(fēng)冷方式中，對流是熱量從管座或散熱器向空氣散失的主要方式。當(dāng)用水或其他液體散熱時，散熱器壁與散熱介質(zhì)之間的熱傳導(dǎo)則是主要的散熱方式。規(guī)定的最高結(jié)溫（允許的結(jié)溫）遠(yuǎn)低于其本征失效溫度（芯片面積大，溫度分布不均勻）硅功率二極管：135~150℃軍用設(shè)備：125~130℃超高可靠性設(shè)備：105℃器件Tjm熱傳輸與電傳輸有很大的相似性，其過程，其過程也有穩(wěn)態(tài)（管芯發(fā)熱率與散熱率相等，結(jié)溫不再升高，處于熱均衡狀態(tài)）和瞬態(tài)（升溫或降溫的過渡過程）1、穩(wěn)態(tài)熱阻熱傳輸遵從熱路歐姆定律：△T——冷熱端的溫差（k）（類似電壓）Pd——功率耗散，即熱流（散熱速率，類似電流，單位時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量）（W）Rθ——熱阻（k/w）（穩(wěn)態(tài)熱阻）h——散熱系數(shù)k——熱導(dǎo)率A——散熱面積L——熱流路程長度散熱設(shè)計的主要任務(wù)就是根據(jù)器件的耗散功率設(shè)計一個具有適當(dāng)熱阻的散熱方式和散熱器，以確保器件的芯片溫度不高于最大結(jié)溫Tjmax設(shè)散熱器的環(huán)境溫度為Ta，則芯片到環(huán)境的總熱阻：半導(dǎo)體功率器件的傳熱途徑和熱阻示意圖總熱阻Rθj-a分成三部分：a：內(nèi)熱阻RθJ-C

：從管芯到管殼的熱阻b：外熱阻

RθC-S

：從管殼到散熱器的接觸熱阻

RθS-a從散熱器到環(huán)境介質(zhì)的散熱器熱阻若考慮從管殼到環(huán)境的直接傳熱作用，Rθj-a更復(fù)雜：半導(dǎo)體器件穩(wěn)態(tài)散熱過程的等效電路對于器件用戶來說，結(jié)殼熱阻RθJ-C是不能改變的一個器件因素，它同Tjmax

、最大功耗Pdm一起決定殼溫的上限接觸熱阻RθC-S的大小與多種因素有關(guān)，它不但取決于器件的封裝形式、界面平整度和散熱器的安裝壓力，還取決于管殼與散熱器之間是否加有絕緣墊片或?qū)峁柚?。增加安裝壓力可減小RθC-S

，涂導(dǎo)熱脂可降低RθC-S

，但加絕緣墊片可使RθC-S增加2、瞬態(tài)熱阻抗當(dāng)功率器件工作在開關(guān)模式之中時，其峰值結(jié)溫與平均結(jié)溫有一定的差別。在電流脈沖的持續(xù)時間較長，占空比也較高的情況下，峰值結(jié)溫有可能非常接近平均結(jié)溫。這時，熱阻的概念仍然適用。tp—器件導(dǎo)通時間矩形脈沖，若幅值為Pp，則其平均值：在脈沖較短，占空比比較低的情況下，峰值結(jié)溫有可能遠(yuǎn)高于平均結(jié)溫，成為器件工作特性的主要限制因素。這時的結(jié)溫高低不僅與器件的消耗功率有關(guān)，還在很大程度上決定于電流脈沖的形狀、持續(xù)的時間和重復(fù)的頻率。因而熱阻的概念不再適用，須用瞬時熱阻抗這個新概念代替。其反映了熱傳體的熱慣性在熱量傳遞的瞬變過程中對熱阻的改變，用Zθ表示。r(tp)——是一個與脈沖寬度tp及占空比有關(guān)的比例因子，本質(zhì)上也就是以穩(wěn)態(tài)熱阻為1的歸一化瞬態(tài)熱阻抗。二、散熱器及其安裝散熱器是以對流和輻射的方式將熱能傳到環(huán)境中去的，散熱器的熱阻RθS-a與散熱器的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、表面顏色、冷卻方式及安裝位置有關(guān)。散熱器的形狀（1）平板型（2）叉指型（3）型材型散熱器的表面：涂黑色漆或鈍化。目的是提高輻射系數(shù)，可減小10%-15%的熱阻。散熱器的安裝：應(yīng)垂直安放。因為熱氣流密度輕，自然向上流動，以形成“煙囪效應(yīng)”，便于散熱。熱阻可減小15%-20%。散熱器的冷卻方式：自然冷卻——依靠空氣的自然對流及輻射。結(jié)構(gòu)簡單、無噪聲，但散熱效率低。風(fēng)冷——強制通風(fēng)，加強對流的散熱方式。為自冷散熱效率的2-4倍，噪聲大。水冷——散熱效率極高，為自然散熱的150倍。冷卻介質(zhì)有水、變壓器油，投資高。主要有鋁板或鋁型材料制成（價格低），另外還有銅、鎂和鋼等材質(zhì)。散熱器的材質(zhì)：幾種主要外殼封裝的半導(dǎo)體功率器件的RθjC值封裝型號F1F12B—3DS—7S—6RθjC3.5℃/W3℃/W15℃/W4℃/W10℃/W幾種主要外殼封裝的半導(dǎo)體功率器件的RθCS值。封裝型號F1F12B—3DS—7S—6無散熱板3℃/W3℃/W11℃/W3℃/W7.5℃/W散熱板涂硅脂1℃/W1℃/W1℃/W散熱板墊云母片1.8℃/W1.8℃/W1.8℃/W鋁質(zhì)平板散熱器的熱阻散熱器表面積（cm