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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

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”。

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。

???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