二极管介绍

接下来让我们看一看对31DQ04的SBD进行相同 测量时的结果。
把测量结果与FRD进行比较，可以得出如下结论。 ᶃFRD的反向耐压为200V，SBD的反向耐压相 对 较 小，仅为 40V，但 是SBD 的 正方向 电 阻 较 低，约为FRD的1/2。 ᶄ高温条件下SBD的反方向电阻较小，为1位数 的IJЊ等级，由于电阻不够大，不能够像ėĕ二极
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小栏目 作为温度传感器使用的二极管
二极管的正向电压相对于温度呈线性变化。利 用该特性，可以把二极管和双极晶体管的B-E 部 分 作 为 温 度 传 感 器 使 用。1A 200V 二 极 管 10EDB20的正向电压的特性如下。
正
向
电
流
(A)
利用小电流领
域的温度特性
该表中的数值是对实际测量的正向电压进行线
二极管是功率半导体的基础 功率（电力用）半导体所容许的电流通常为1A以 上。功率二极管是最简单的功率半导体之一，在 此将其简称为二极管。其最大工作频率以kHz等
级为对象，主要用于整流用途。
電 电流 流
パワ功ー率ダ二イ极オ管ード
二极管的构造、标记、基本特性 目前，二极管的原材料大多使用硅。二极管的构 造分为两种，一种是在N型硅中形成P层的PN连 接型，另一种是在N型硅上堆积金属（势垒金属） 的肖特基型。PN连接型中又包括台面型和平面
IF VF 抵抗
IF VF 抵抗
31DF2 (FRD) 正向特性 25℃
1mA 10mA 0.1A
3A
10A
0.466V 0.535V 0.630V 0.842V 0.985V
466Ω 53.5Ω 6.3Ω 0.28Ω 98.5mΩ
31DF2 (FRD) 正向特性 150℃
1mA 10mA 0.1A
3A
10A
0.217 0.308 0.414 0.654 0.821
210Ω
30Ω
4.1Ω 0.22Ω 82.1mΩ
VR IR R (MΩ)
VR IR R (MΩ)
31DF2 反向特性 25℃
1V
10V
50V 100V
1nA
1nA
1nA
2nA
1,000 10,000 5,000 5,000
31DF2 反向特性 150℃
IFW
N×IFW
正向电压(V)
二极管的正向电压特性
VF
电流流动时所产生的热量会防碍正确测量温 度，因此使用微量的电流。通常温度上升1ˆ， 正向电压会降低2mV。让我们使用10EDB20进 行实际验证。
IF(µA) 5 10 25 50 100 250 300
27℃ 345.2 361.6 388.3 403.5 423.5 449.3 454.1
1V 5.4µA 0.186
10V 6.6µA 1.51
50V 8.2µA 6.04
100V 9.7µA 10.2
200V 3nA 6,700
200V 14.4µA
13.9
ᶃ在实用电流区域中，正方向电阻在电流较小时 为数Њ，电流较大时小于1Њ。 ②即使温度上升，如果电压在使用范围内，反方 向电阻会达到数MΩ的高电阻。 ᶅ在正向电流和反向电压都极端小的条件下，ᶃ 和ᶄ可能不属实。 ᶆ当温度从25ˆ上升到150 ˆ时，3A时的VF变成 0.78倍，200V时的IR变成4,800倍。
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损耗。假设3A的正向电流以50%的负载流动，剩 余 期 间 内 对 31DF2 施 加 100V 的 反 向 电 压，对 3Hale Waihona Puke BaiduDQ04施加20V的反向电压。
正向电流
０
０
反向电压
3A
100V (31DF2) 20V (31DQ04)
注：使用31DF2时以150ˆ条件下的实际测量值，
14
二极管的浪涌电流额定值
14
I2t和I2√t
14
用Spice仿真求得I²√t
15
二极管的开关时间―反向恢复时间
17
SBD和FRD的区别
17
为什么需要高速二极管
18
小栏目 整流杂波
20
SBD和FRD的种类
22
SBD的热失控
23
总结
24
থମ؅技术 2004年8月刊 第1章原稿
功率二极管的基本特性和选定
正向电力损耗 反向电力损耗 相对于反向电力 损耗之和的比例
31DF2 0.981W 0.00049W
0.05%
31DQ04 0.568W
0.046W
7.5%
使用31DQ04时以125ˆ条件下的实际测值分别计 算了正向、反向损耗的数值。
对于像31DF2一类的PN二极管，即使对其施加 100%负荷的反向电压，损耗也仅有1mW左右，因 此我们可以忽略该损耗。但是，对于像31DQ04一 类的SBD，由于反向电力损耗的比重较大，设计时 需要考虑该损耗。另外，由于反向电力损耗较大， 有可能导致温度上升，还有发生后述说明的热失 控的危险。
一般整流用 AC-DC转换 AC100/ 200V
50/60Hz
高速用 DC12V
DC-DC转换
DC5V DC-DC转换
DC3.3V DC-DC转换
数10kHz以上
ATX电源的主要构成
以上的缘故。并且，使用电池驱动的设备的低电
压电源周围也多使用SBD。
如果与晶体管作比较，一般整流二极管和FRD （PN二极管）对应于双极晶体管，SBD对应于 MOSFET。SBD的特性跟PN二极管稍有不同，为 了能够熟练使用SBD，应该理解SBD的特性。在 以下学习有关二极管，还有功率半导体的特性 时，请时刻留意这一点。有关高速恢复二极管的 内容，我们将在后面另行讨论。
31DQ04 (SBD) 正向特性 25℃
IF VF 电阻
1mA 0.182V 182Ω
10mA 0.242V 24.2Ω
0.1A 0.305V
3Ω
3A 0.448V 0.149Ω
10A 0.659V 66mΩ
31DQ04 (SBD) 正向特性 125℃
IF VF 电阻
1mA 10mA 0.1A
3A
性回归补偿后获得的数值。温度系数为
10µA下
-2.22mV/ˆ
100µA下 -2.03mV/ˆ
因此，额定电流的1/10,000约为-2mV/ˆ。如此
流动单一的微量电流，可以获知功率半导体的
芯片温度。
Maxim、National semiconductor等的温度监控器
集成电路采用流动两个电流的方法。
0.0175 0.0699 0.150 .0.379
17.5Ω 6.99Ω 1.5Ω 0.126Ω
31DQ04 (SBD) 反向特性 25℃
10A 0.611 61mΩ
VR
1V
5V
10V
20V
40V
IR
1.3µA 2µA 2.8µA 4.4µA 12µA
R(MΩ) 0.76
2.5
3.6
4.5
3.3
31DQ04 (SBD) 反向特性 125℃

确认二极管的基本特性的实验—试着测量
正向特性和反向特性
让我们来确认二极管「正方向有电流流动，反 方向没有电流流动」的基本特性。对31DF2(3A 200V)తFRD࿨31DQ04(3A 40VʣతSBDతਖ਼ ൓ಛੑ进ߦ测ྔɻ 首先在25℃和150℃的条件下，测量31DF2上流
动IF正向电流时的正向电压VF。
施加5V的电压时有1mA的电流流动
管那样忽略反向电流。 ᶅ当温度从25ˆ上升到150 ˆ时，3A时的VF变成 0.85倍，40V时的IR变成760倍。çç SBD的特点是正向电压较低。相反，SBD具有反向 电流较大的弱点。为了能够充分利用SBD，设计电 路时的要点在于尽量避开该弱点。
（ 正 向电力损耗 ）加上（ 反向电力损耗 ）— 使 用PN二极管时我们可以忽略反向电力损耗 ， 然而ɾɾɾ 正向电流流动时发生的损耗是正向电力损耗，施 加反向电压时发生的损耗是反向电力损耗。两者 的损耗之和越小，温度上升就会越小。 让我们试着从测量结果计算31DF2和31DQ04的
同，但组件设计和组装技术是共通的。
本文以二极管为主进行说明，但说明内容对功
率半导体整体都有效。
一般整流二极管和高速二极管
通常所述的二极管主要是指用于50Hz和60Hz电 源整流用的一般整流二极管。但是，目前使用较 多的是FRD(高速恢复二极管)和SBD（肖特基 势垒二极管，有时简称为肖特基）等高速二极 管。例如台式个人电脑的ATX电源中仅使用了 一个一般整流二极管（AC-DC转换用的桥路二 极管），另外使用了十四个FRD和两个SBD。这 是 由 于 只 有 AC-DC 转 换 电 路 的 工 作 频 率 为 50/60Hz，其它的电路的工作频率都在数10kHz
5
功率半导体封装和标称电流
6
封装内部是什么样子？
6
芯片的尺寸和标称电流
7
请注意大型芯片SBD的反向电力损耗的增加
7
电流通路和接合线的电阻
8
反向耐压—应该选择耐压多少伏的器件？
9
二极管反向耐压随温度降低而下降
整流电路和二极管反向耐压
9
二极管反向耐压
10
热阻和容许电流
12
过渡热阻
12
功率半导体的损坏方法
目录
二极管是功率半导体的基础
1
二极管的构造、标记、基本特性
１
一般整流二极管和高速二极管
2
确认二极管的基本特性的实验—试着测量正向特性和反向特性
2
（ 正 向电力损耗 ）加上（ 反 向电力损耗 ） — 使 用PN二极管时我们可以 3 忽略反向电力损耗 ，然而・・・
小栏目 作为温度传感器使用的二极管
VR IR R (kΩ)
1V 2mA 0.5
5V 2.7mA
1.8
10V 3.3mA
2.9
20V 4.6mA
4.3
40V 9.1mA
4.3
正方向电阻值的示例
FRD（PN二极管） 数Њ乃至1Њ以下
SBD
其1/2
反方向电阻值的示例
FRDʢPN二极管ʣ SBD
5,000MΩ（常温） 10MΩ（常温）
5MΩ（常温） 5kΩ（高温）
会失去没有电流流动的特性。
阳极
阴极
P层 N型硅
Mo等金属（势垒金属） N型硅
台面型 肖特基型
二极管的构造
到200V为止没有电流流动
超过200V则会有电流流动 （二极管的特性消失）
耐压200V的二极管的性质

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2004.4/2005.8 橋詰伸一
请注意，在此所述的二极管特性消失，可能有对 二极管造成永久破坏的危险。原则上，对于施加 在二极管上的反向电压，即使是一瞬间也不可
特性。
源极 PN连接 门极
漏极
MOSFET芯片截面图
功率半导体以电流和电压的形式表示，例如10A 200V。电流容量A的指标不仅限于二极管，而是 功率半导体整体共通的指标。例如TO-220等3端 子以上的标准组件品，如果没有标记，将无法从 外 观 上 区 分 是 二 极 管、MOSFET 还 是 其 它 器 件。对半导体制造商而言，即使所组装的芯片不
改变温度和正向电流时的正向电压（补偿值）
使用两个电流测量VF，计算差值
两个电流的正向电压差如果为∆VF T= q ∆VF/[n k ln(N)]ʵ273.15
由此可以得到温度T(ˆ)。在此 q为电量基本单位1.602×10-19库仑 N为理想因数 k为玻尔兹曼常数1.38×10-23
然后在25℃和150℃的条件下，测量对同一二极
管施加反向电压VR时的反向电流IR。 从上述测量结果可以得出如下结论。
31DF2 3A 200V FRD 31DQ04 3A 40V SBD
（外观相同）
ç ç ç ç
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恒温槽
用于順测特量性正測向定特用性 用于测量反向特性
二极管的正向、 反向特性的测量
以超过规定的反向耐压。
下 图 是 MOSFET 的 截 面 图。PN 连 接 使 得 MOSFET的漏极-源极间有耐压。不施加门极偏 压时，MOSFET的漏极相当于二极管的阳极，源 极相当于二极管的阴极。（N通道MOSFET的情 况下）另外，PN连接还承担双极晶体管和IGBT 的电压阻止（关闭）任务。也就是说，理解二极 管的逆特性有助于理解这些功率半导体的关闭
型。
阳极
阴极
1A
小信信号号・，高高周频波ダ二イ极オ管ード
Hz
kHz
MHz
GHz
周频波率数
大多数情况下，二极管与MOSFET、૒极থମ؅、
还有IGBT一起使用。在此，将此类器件总称为থ
ମ؅。
P层 N型硅
平面型
阳极
阴极
有电流流动
二极管的标记和特性
如果将电流流动的方向作为二极管的正方向，当 反方向，即对阴极施加正电压时，如果电压达不 到某一数值，将几乎不会有电流流动。该电压限 度被称之为反向耐压。例如，对于200V的二极 管，如果施加大于200V的反向电压，该二极管就
50℃ 292.9 310.3 337.5 356.2 376.5 403.9 408.9
75℃ 236.0 254.2 282.6 304.0 325.8 354.2 359.8
80℃ 224.7 243.1 271.5 293.4 315.6 344.1 350.0
85℃ 213.2 232.4 259.9 283.1 305.7 334.2 340.5