功率二极管结构和工作原理

功率二极管结构和工作原理

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。

囹！PN结空间电荷区

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。

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”

Z

J

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。

K VD

h R1«

图4半导体二扱骨的结构i

*）第忡b）图雁符号

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。