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功率半导体——功率二极管I

功率半导体——功率二极管I

功率半导体器件从应用角度可分为功率整流器和功率开关两类，其中功率整流器主要是功率二极管（Power diode）。以下是对功率二极管的详细解析：

一、功率二极管的概述

商用的功率二极管主要包括PN结二极管和肖特基二极管两类：

PN结二极管：通过掺杂在半导体内部形成P型半导体和N型半导体，它们的结合部位形成PN结，通过这种形式缔造的二极管就是PN结二极管。PN结二极管的结构通常具有三层，包括P+层、N-层和N+层。除了中间的N-层是轻掺杂外，两侧的P+层和N+层均为重掺杂。PN结二极管是在一个平整、无缺陷的单晶硅片上，经过氧化、光刻、扩散、金属化等工艺后所形成的。肖特基二极管：由金属和半导体形成结而具有单向导电性的二极管。肖特基二极管中金属-半导体结合层起到PN结二极管中PN结的作用，其与PN结二极管的重要区别在于其内传输电流的载流子只有带负电的自由电子，为单极器件，而PN结二极管内传输电流的载流子包括自由电子和空穴，为双极器件。

二、功率二极管的特性

1. 静态特性（伏安特性）

导通特性（第一象限）：当功率二极管的正向电压超过阈值电压时，随着正向电压的增加，正向电流急剧上升。直到当电流值远远超过容许的正向电流值时，曲线才会变得平坦。在电流值不是特别高时，导通电压同温度系数成反比。也就是说，电流为常数时，温度越高导通电压就越低。在大电流情况下则具有相反的规律。电流流过二极管所产生的损耗会使二极管发热，从而限制功率二极管的正向电流值不能过高，即功率二极管存在允许的正向电流值。当通过二极管的电流超过允许电流，二极管可能会被烧坏。截止特性（第三象限）：二极管外接反向电压时，在开始的几伏范围内，截止电流缓慢上升然后基本不变。截止电流受温度影响很大，并随温度升高而提高，特别是肖特基二极管。当持续提高外接电压，可能出现截止电流陡升的情况，此时二极管发生击穿。相应的击穿效应主要有齐纳效应和雪崩效应两类。

2. 动态特性

开通特性：随着功率二极管两端的电压逐渐上升，二极管内有正向电流通过，电流随着电压的增加而上升，当外加电压达到峰值V_{FRM}后，正向电流达到饱和。此后，电压逐渐回降至静态导通电压V_{F}。外加电压从0.1V_{F}到1.1V_{F}所需时间t_{fr}称为功率二极管的开通时间（一般在100ns左右）。关断特性：对处于导通状态的功率二极管进行电源反接，在PN结二极管内，正向导通电流逐渐减小直至形成反向电流。相应的，二极管两端的电压也随电流值的变化而从正向电压转变为反向电压，并逐渐增大。随着反向电流与PN结二极管内电子与空穴的再结合，带电离子不断减少。当PN结内所有的自由带电离子全部消失，二极管反向电流达到峰值I_{RRM}，二极管进入截止状态并承受反向截止电压。此后，二极管内反向电流逐渐降低直至饱和。PN结二极管的关断时间t_{rr}、存储电荷Q_{rr}及反向峰值电流I_{RRM}都会随温度的升高而增加。

三、功率二极管的主要类型

快速二极管：具有短的关断时间，小的存储电荷和低的反向峰值电流的二极管可以称之为快速恢复二极管（Fast Recovery Diode, FRD），简称快速二极管。快速二极管可通过降低带电离子的寿命来制造。快速二极管的关断时间约为50ns~5μs，主要用于高频逆变器、斩波器、高频整流器和缓冲器。快速恢复外延二极管：在快速二极管的基础上，还存在关断速度更快快速恢复外延二极管（Fast Recovery Epitaxial Diode, FRED），其关断时间可低于50ns，但反向耐压多在1200V以下。肖特基二极管：单极器件，只有电子作为导电离子。其优点主要有：反向恢复时间很短（10~40ns），工作频率高；正向压降小（0.3~0.6V），恢复过程中也不会有明显的电压过冲；反向耐压较低时其正向压降明显低于快恢复二极管；效率高，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还小。但肖特基二极管也存在以下缺点：耐压较低，反向耐压提高的同时正向压降会提高，漏电流较大，多用于1200V以下；温度特性较差，反向稳态损耗不能忽略，必须严格限制其工作温度。

四、功率二极管的主要性能参数

额定正向平均电流I_{F(AV)}：指功率二极管在长期运行时，在指定的管壳温度和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。I_{F(AV)}是按照电流的发热效应定义，使用时应按有效值相等原则来选取电流定额，并留有一定裕量。正向平均电压V_{F}：在指定温度和标准的散热条件下，流过某一指定的稳态正向电流I_{F}时对应的正向压降。器件的发热及损耗与V_{F}有关，一般选用V_{F}较小的二极管来降低损耗。反向重复峰值电压V_{RRM}：在额定结温条件下，二极管反向伏安特性曲线（第三象限）急剧变化处所对应的反向峰值电压即为反向不重复峰值电压V_{RSM}。V_{RSM}的80%称为反向重复峰值电压V_{RRM}，其代表对功率二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。使用时，往往按照电路中功率二极管可能承受的反向最高峰值电压的两倍来选定此参数。反向漏电流I_{RR}：反向重复峰值电压V_{RRM}下的平均漏电流称为反向重复平均电流I_{RR}。反向恢复时间t_{rr}：从功率二极管正向电流衰减过零开始，到反向电流下降到反向峰值电流的20%（或10%）之间所花费的时间。最高工作频率f_{M}：功率二极管允许的最高工作频率f_{M}，主要取决于PN结电容的大小，结电容越大，允许的f_{M}越低。最高工作结温T_{JM}：指在PN结不损坏的前提下，功率二极管所能承受的最高平均温度，通常在125℃-175℃之间。浪涌电流I_{FSM}：指二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。

综上所述，功率二极管作为功率整流器的重要组成部分，在电力电子系统中发挥着关键作用。通过了解其概述、特性、主要类型及性能参数，可以更好地理解和应用功率二极管。

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