PV组件之旁路二极管知识总结

旁路二极管知识：半导体介绍：一、半导体介绍几乎在所有的电子电路中，都要用到半导体二极管，它在许多的电路中起着重要的作用，应用也非常广泛。

下面首先对半导体做个介绍：1本征半导体纯净晶体结构的半导体称为本征半导体。

常用的半导体材素是元素周期表中的4价元素，如：硅（si）、锗（Ge）。

其原子结构中最外层轨道上有4个电子；纯净的晶体中相邻的两个原子的一对最外层电子（价电子）结合成为共有电子，组成共价键；原子可以形成稳定的8原子壳层，如下图所示。

共价键中的价电子在热运动中能获得能量形成自由电子和空穴（价电子摆脱共价键束缚后成为自由电子，此时在共价键中留有了空位，称为空穴，空穴带正电）。

本征半导体中存在的两种载流子即自由电子和空穴，由于其两者是成对产生，所以在本征半导体中两者浓度是相同的，因此本征半导体本身称电中性。

本征半导体材料中载流子的浓度除了和其本身的性能有关外，还和温度有关，随着温度的升高称指数规律上升，硅材料的温度每升高8摄氏度，本征载流子的浓度增加一倍，锗材料的温度每升高12摄氏度，载流子的浓度增加一倍。

另外，半导体载流子的浓度与光照有关。

2P型半导体如果在纯净的硅晶体中掺入3价杂质，如硼（或鋁、镓或铟等），这些3价杂质原子的最外层只有3个价电子，当它与相邻的硅原子形成共价键时，还缺少1个价电子，因而其它共价键电子只要少量能量摆脱原子核束缚，即可填充之，而在其本身位置形成空穴，在一个共价键上要出现一个空穴，此种半导体主要靠空穴导电；此种半导体称之为P型半导体。

P型半导体材料中，空穴数目很多,称为多数载流子，而电子数目很少,称为少数载流子。

P型半导体只有一种多子――空穴，对外呈电中性，导电特性与掺杂的杂质浓度有关。

P型半导体如下图所示：3N型半导体如果在纯净的硅晶体中掺入少量的5价杂质磷（或砷，锑等），由于磷原子具有5个价电子，所以1个磷原子同相邻的4个硅原子结成共价键时，还多余1个价电子，这个价电子很容易挣脱磷原子核的吸引束缚而变成自由电子，此种半导体主要靠自由电子导电；此种半导体称之为N型半导体。

N型半导体材料中，空穴数目很少,称为少数载流子，而电子数目很多,称为多数载流子。

N型半导体只有一种多子――自由电子，对外呈电中性，导电特性与掺杂的杂质浓度有关。

P型半导体如下图所示：：结介绍：二、PN结介绍1PN结若将P型半导体和N型半导体两者紧密结合，联成一体时，由于交界面两边，电子和空穴的浓度不相等，因此会产生多数载流子的扩散运动。

扩散的结果是在交界面形成空间电荷区，即为PN结，电荷聚积形成内建电场E ，电场方向: N －> P ，此电场作用下，少数载流子将做漂移运动，方向与扩散方向相反，阻止扩散运动。

扩散得越多，电场越强，漂移运动越强，对扩散的阻力越大。

平衡时，扩散和漂移运动作用相等，界面通过的载流子数为0，PN结无电流通过，此时，PN结形成一个阻挡层，电子学上称为耗尽层。

如下图所示：2PN 结的单向导电特性电源的正极接到P区，负极接到N区，则PN结出于正向偏置状态。

此时的外加电场与其内部自建电场的方向相反，消弱了其内建电场，从而使得阻挡层变窄，扩散作用将大于漂移作用，此时多数载流子将向对方区域扩散而形成正向电流，电流方向为正极P区流向负极N区。

PN结出于导通状态，呈现出正向导通电阻很小。

两端的压降越大，其流过PN结的电流越大，如下图所示。

U－I D呈线的函数关系：I D= I S e U/UTI D : 流过PN 结的电流；U : PN结两端电压；U T = kT/ q 称为电压当量，其中k 为玻尔兹曼常数，1.381×10^(-23)J/K ，T为绝对温度，q为电子的电量；I S:反向饱和电流。

当P区接到电源负极，N区接到电源正极时，PN结处于反向偏置。

外加的电场与PN结内建的电场的方向一致，增加了阻挡层的宽度，此时漂移作用大于扩散作用，少子在电场的作用下做漂移运动，形成漂移电流，漂移电流的方向与正向压降方向相反，故称为反向电流，反向电流是由少数载流子形成的，故电流很小，外加反向电压不需很大，少数载流子将会全部做漂移运动形成漂移电流，反向电压即使再增加，少数载流子数目也不会增加，故形成反向饱和电流：I D = - I S 如下图所示：综述，PN结加正向偏置电压，处于导通状态，加反向电压处于截至状态，PN 结具有单向导电性。

3PN结V-I特性综合PN 结介绍的1、2 所述，PN结V－I特性曲线：I D = I S(e U/UT -1)(U T= kT/ q ，k 玻尔兹曼常数1.381×10^(-23)J/K T 绝对温度q 电子电量）：二极管介绍：三、二极管介绍二极管实际就是一个PN结，由于考虑到引线电阻和半导体的体电阻以及漏电流等因素的影响，使得二极管的特型与PN 结的特性稍有不同。

1二极管分类按照所用的半导体材料，可分为锗二极管（Ge管）和硅二极管（Si管）。

按照其不同用途可分为检波二极管、整流二极管、稳压二极管、开关二极管等。

按照管芯结构，又可分为点接触型二极管、面接触型二极管及平面型二极管。

A、点接触型二极管是用一根很细的金属丝压在光洁的半导体晶片表面，通以脉冲电流，使触丝一端与晶片牢固地烧结在一起，形成一个“PN结”。

由于是点接触，只允许通过较小的电流（不超过几十毫安），适用于高频小电流电路，如收音机的检波等。

B、面接触型二极管的“PN结”面积较大，允许通过较大的电流（几安到几十安），主要用于把交流电变换成直流电的“整流”电路中。

C、平面型二极管是一种特制的硅二极管，它不仅能通过较大的电流，而且性能稳定可靠，常被用来制作肖特级二极管，多用于开关、脉冲及高频电路中。

-------肖特基二极管简介肖特基二极管在结构原理上与PN结二极管有很大区别，它的内部是由阳极金属（用钼或铝等材料制成的阻挡层）、二氧化硅（SiO2）电场消除材料、N-外延层（砷材料）、N型硅基片、N+阴极层及阴极金属等构成，如下图所示。

肖特基整流管仅用一种载流子（电子）输送电荷，在势垒外侧无过剩少数载流子的积累，因此，不存在电荷储存问题。

它的反向耐压值较低，一般不超过100V。

因此适宜在低压、大电流情况下工作。

利用其低压降这特点，能提高低压、大电流整流（或续流）电路的效率。

所以，太阳能组件上的旁路二极管选用肖特基二极管。

2二极管的导电特性二极管最重要的特性就是单方向导电性。

在电路中，电流从二极管的正极流入，负极流出。

A、正向特性在电子电路中，将二极管的正极接在高电位端，负极接在低电位端，二极管就会导通，这种连接方式，称为正向偏置。

必须说明，当加在二极管两端的正向电压很小时，二极管仍然不能导通，流过二极管的正向电流十分微弱。

只有当正向电压达到某一数值（这一数值称为“门槛电压”Vth，锗管约为0.2V，硅管约为0.6V）以后，二极管才能直正导通。

导通后二极管两端的电压基本上保持不变（锗管约为0.3V，硅管约为0.7V），称为二极管的“正向压降”。

B、反向特性在电子电路中，二极管的正极接在低电位端，负极接在高电位端，此时二极管中几乎没有电流流过，此时二极管处于截止状态，这种连接方式，称为反向偏置。

二极管处于反向偏置时，仍然会有微弱的反向电流流过二极管，称为漏电流。

当二极管两端的反向电压增大到某一数值，反向电流会急剧增大，二极管将失去单方向导电特性，这种状态称为二极管的击穿。

综述，二极管加正向偏置电压，处于导通状态，加反向电压处于截至状态，二极管具有单向导电性（可参照PN 街单项导电性）。

3二极管的主要特性参数用来表示二极管的性能好坏和适用范围的技术指标，称为二极管的参数。

不同类型的二极管有不同的特性参数。

A、额定正向工作电流I F是指二极管长期连续工作时允许通过的最大正向电流值。

因为电流通过管子时会使管芯发热，温度上升，温度超过容许限度（硅管为140左右，锗管为90左右）时，就会使管芯过热而损坏。

所以，二极管使用中不要超过二极管额定正向工作电流值。

B、最高反向工作电压U R加在二极管两端的反向电压高到一定值时，会将管子击穿，失去单向导电能力。

为了保证使用安全，规定了最高反向工作电压值。

C、反向电流I R反向电流是指二极管在规定的温度和最高反向电压作用下，流过二极管的反向电流。

反向电流越小，管子的单方向导电性能越好。

值得注意的是反向电流与温度有着密切的关系，大约温度每升高10，反向电流增大一倍。

温度持续升高，反向电流将集聚增大，因此，温度升高不仅可以引起二极管失去单方向导电特性，还会使管子过热而损坏。

硅二极管比锗二极管在高温下具有较好的稳定性。

D、最高工作频率fm取决于二极管的结电容大小，结电容越大，允许的最高工作频率越低。

E、直流电阻Rd加载到二极管两端的直流电压与流过二极管的电流之比。

F、交流电阻rd在二极管工作点附近电压的微变值与相应的电流微变值之比。

G 、正向压降Vf二极管导通时，正极到负极的电压降。

H 、温度特性温度对二极管的性能参数的影响。

I 、ESD 特性关于静电释放及静电击穿防护的性能。

4、测试二极管的好坏辨别最简单的方法可以使用万用表定性测试二极管的好坏。

测试前先把万用表的转换开关拨到欧姆档的RX1K 档位（注意不要使用RX1档，以免电流过大烧坏二极管），再将红、黑两根表笔短路，进行欧姆调零。

A 、正向特性测试把万用表的红表笔（表正极）搭触二极管的正极，黑表笔（表负极）搭触二极管的负极。

若表针不摆到0值而是停在标度盘的中间，这时的阻值就是二极管的正向电阻，一般正向电阻越小越好。

若正向电阻为0值，说明管芯短路损坏，若正向电阻接近无穷大值，说明管芯断路。

短路和断路的管子都不能使用。

B 、反向特性测试把万用表的黑表笔搭触二极管的正极，红表笔搭触二极管的负极，若表针指在无穷大值或接近无穷大值，管子就是合格的。

鉴于二极管测试的准确性，对接线盒内的旁路二极管测试选用专业的测试设备。

以保证质量，现在测试二极管的主要参数有：Vf 、Ir 、Vb 等。

四、太阳能电池介绍太阳能电池介绍：：A 、光生伏打效应太阳电池在光照下，能量大于半导体禁带宽度的光子，使得半导体中原子的价电子受到激发，在p 区、空间电荷区和n 区都会产生光生电子-空穴对，也称光生载流子。

这样形成的电子-空穴对由于热运动，向各个方向迁移。

光生电子-空穴对在空间电荷区中产生后，立即被内建电场分离，光生电子被推进n 区，光生空穴被推进p 区。

在空间电荷区边界处总的载流子浓度近似为0。

在n 区，光生电子-空穴产生后，光生空穴便向 p-n 结边界扩散，一旦到达 p-n 结边界，便立即受到内建电场的作用，在电场力作用下作漂移运动，越过空间电荷区进入p 区，而光生电子（多数载流子）则被留在n 区。