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功率二极管结构和工作原理

在本征半导体中掺入P型和N型杂质,其交界处就形成了PN结,在PN结的两端引出两个电极,并在外面装上管壳,就成为半导体二极管。如果一杂质半导体和金属形成整流接触,并在两端引出两个电极,则成为肖特基二极管。
二极管的结构和工作原理:
PN结的形成及二极管的单向导电性描述如下:
如下图1所示,对于一块纯净的半导体,如果它的一侧是P区,另一侧为N区,则在P区和N区之间形成一交界面。N区的多子(电子)向P区运动,P区的多子(空穴)向N区运动,这种由于浓度差异而引起的运动称为“扩散运动”。扩散到P区的电子不断地与空穴复合,同时P区的空穴向N区扩散,并与N区中的电子复合。交界面两侧多子复合的结果就出现了由不能移动的带电离子组成的“空间电荷区”。N区一侧出现正离子区,P区一侧出现负离子区,正负离子在交界面两侧形成一个内电场。这个内电场对多子的扩散运动起阻碍作用的同时,又有利于N区的少子(空穴)进入P区,P区的少子(电子)进入N区,这种在内电场作用下少子的运动称为“漂移运动”。扩散运动有助于内电场的加强,内电场的加强将阻碍多子的扩散,而有助于少子的漂移,少子漂移运动的加强又将削弱内电场,又有助于多子的扩散,最终扩散运动和漂移运动必在一定温度下达到动态平衡。即在单位时间内P区扩散到N区的空穴数量等于由P区漂移到N区的自由电子数量,形成彼此大小相等,方向相反的漂移电流和扩散电流,交界面的总电流为零。在动态平衡时,交界面两侧缺少载流子的区域称为“耗尽层“,这就形成了PN结。
PN结及空间电荷区
如图2所示,当PN结处于正偏,即P区接电源正端,N区接电源负端时,外加电场与PN结内电场方向相反,内电场被削弱,耗尽层变宽,打破了PN结的平衡状态,使扩散占优势。多子形成的扩散电流通过回路形成很大的正向电流,此时PN结呈现的正向电阻很小,称为“正向导逋”。当PN结上流过的正向电流较小时,二极管的电阻主要是作为基片的低掺杂N区的欧姆电阻,其阻值较高且为常量,因而管压降随正向电流的上升而增加;当PN结上流过的正向电流较大时,注入并积累在低掺杂N区的少子空穴浓度将很大,为了维持半导体电中性条件,其多子浓度也相应大幅度增加,使得其电阻率明显下降,也就是电导率大大增加,这就是电导调制效应。电导调制效应使得PN结在正向电流较大时压降仍然很低,维持在1V左右,所以正向偏置的PN结表现为低阻态,为保护PN结,通常要在回路中串联一个限流电阻。
外加正向电压时的PN结
如图3所示,当PN结处于反偏,即P区接电源负端,N区接电源正端时,外加电场与PN结内电场方向相同,内电场被加强,耗尽层变宽,打破了PN结的平衡状态,使漂移占优势。两区的少子在内电场作用下漂移过PN结形成了反向电流。因为少子浓度很低,所以反向电流很小,而且在温度一定时,少子的浓度基本保持恒定,故又称反向电流为反向饱和电流,用Is表示。反偏的PN结所呈现的反向电阻很大,称为“反向截止”。
外加反向电压时的PN结
由以上分析可知,PN结外加正向电压时,表现为正向导通;外加反向电压时,表现为反向截止,这就是PN结的单向导电性。
    PN结具有一定的反向耐压能力,但当施加的反向电压过大,反向电流将会急剧增大,破坏PN结反向偏置为截止的工作状态,这就叫反向击穿。反向击穿按照机理不同有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式。反向击穿发生时,只要外电路中采取了措施,将反向电流限制在一定范围内,则当反向电压降低后PN结仍可恢复原来的状态。但如果反向电流未被限制住,使得反向电流和反向电压的乘积超过了PN结容许的耗散功率,就会因热量散发不出去而导致PN结温度上升,直至过热而烧毁,这就是热击穿。
PN结中的电荷量随外加电压而变化,呈现电容效应,称为结电容C-,又称为微分电容。结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电容CB和扩散电容Cm势垒电容只在外加电压变化时才起作用,外加电压频率越高,势垒电容作用越明显。势垒电容的大小与PN结截面积成正比,与阻挡层厚度成反比,而扩散电容仅在正向偏置时起作用。在正向偏置时,当正向电压较低时,势垒电容为主;正向电压较高时,扩散电容为结电容主要成分。结电容影响PN结的工作频率,特别是在高速开关的状态下,可能使其单向导电性变差,甚至不能工作,应用时应加以注意。
在PN结的两端引出两个电极,并用管壳封装便就成为二极管,如图4所示。P区的引出线称为阳极,N区的引出线称为阴极。
半导体二极管的结构及图形符号
    功率二极管的基本结构、工作原理与普通的小功率二极管均是一样的,都是由半导体PN结构成的,具有单向导电性,在电路中起正方向导通电流、反方向阻断电流的作用。功率二极管的电气符号与普通二极管也一样,如图4所示。与普通二极管不同的是功率二极管的PN结面积较大,因此过流能力增强了,可以通过较大的电流。
功率二极管的导通和截止不能通过控制电路进行控制,而是完全取决于其两端外加电压的方向和大小,因此成为不可控器件。
    由于功率二极管正向导通时要流过很大的电流,其电流密度较大,因而额外载流子的注入水平较高,电导调制效应不能忽略,而且其引线和焊接电阻的压降等都有明显的影响;再加上其承受的电流变化率di/dt较大,因而其引线和器件自身的电感效应也会有较大影响。此外,为了提高反向耐压,其掺杂浓度低也造成正向压降较大。这些都使得功率二极管与信息电子电路中的普通二极管有所区别。
还应特别指出,当环境温度升高时,由于热激发使半导体内载流于的浓度增加,因此PN结反向饱和电流将增大。这是造成半导体器件工作时不稳定的重要因索,在实际应用中必须加以考虑。
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