功率二极管结构和工作原理.docx

1、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

2、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

3、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。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

4、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IV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。1夷斥艮iP b,电荷攻、0 So o*o o o ! d G)*G0 0 iG G 0. 0J由醒场1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

5、，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”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

6、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

7、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。 h Rld| 图4半导体二扱骨的结构ia *）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

8、 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。