二极管和电力二极管的工作原理分析

一、模电复习部分

1.基础概念

本征半导体：纯硅，自由载流子较少

P型半导体：掺杂有第三主族元素的硅，要形成与之前相似的化学键，会产生空穴，带正电荷

N型半导体：掺杂有第五主族元素的硅，会产生自由电子，带负电荷

需要注意的是，无论N型半导体、P型半导体还是二极管，均为电中性，原因很简单，在生产过程中加入的所有元素均为电中性，产物自然不会带电。

扩散运动：粒子由浓度高的区域向浓度低的区域运动的过程

漂移运动：粒子由浓度低的区域向浓度高的区域运动的过程

PN结：P型半导体与N型半导体拼在一起，由于空穴带正电，电子带负电，扩散效应会使电子与空穴在交界处发生中和(具体的过程了解的不是很清楚，先这么理解)。由于先前P型半导体和N型半导体均为电中性，但电子与空穴运动至对面，所以在中间的位置会产生带正电与负电的区域，如下图所示：

正负电荷形成电场，注意电场方向，在之后分析二极管的正反特性时很重要

2.二极管的工作原理分析

二极管的正向偏置：

如图所示，当在二极管两端施加正向电压时，外电池(电池电压)与内电场(P型半导体与N型半导体之间电场)方向相反，外电场阻碍了多子的扩散运动，使耗尽层被削弱，促进了电荷按照外电场的方向进行运动，压降较小。

正向电压过小时，电路中的电荷无法克服内电场的作用，表现为电路中电流较小

二极管的反向偏置：

如图所示，施加反向电压时，与刚才的过程相反，外电场方向与内电场相同，外电场促进了多子的扩散运动，耗尽层变厚

当反向电压过大时，电荷在电场中收到力的作用，电荷动能增加，与化学键中的电子相碰撞，当动能足够大时，碰撞会造成化学键的断裂，释放出的电子接着碰撞其他电子，最终导致二极管结构发生不可逆变化，该过程称为雪崩击穿。

二极管的伏安特性曲线：

二、电力二极管

1.电力二极管的使用场景

电力二极管一般使用在高压、大电流的场景下，在反向大电压下不被击穿，能通过正向大电流的能力显得尤为重要。

2.电力二极管的构造

电力二极管截面积一般大于普通二极管，以此通过更大的电流。

除了我们上面介绍的PN型二极管，电力二极管中更普遍的为PIN二极管。PIN二极管分为p+，n-，n+三个区域。其中“+”号表示掺杂浓度较大，“-”号表示掺杂浓度较小

低浓度掺杂区域主要用于耐受更高的反向电压。由于该区域内其他元素掺杂浓度较低，能够维持正向导通的同时为多子的扩散提供了缓冲区域，使其能够耐受更高的反向电压而不被击穿

3.电力二极管的动态特性

1)关断过程

无论是普通的PN型二极管还是PIN型二极管，由于耗尽层与N-区域的存在，形成了一个类似于电容的结构，称之为结电容。

当二极管由正向导通状态转移至反向关断状态时，由于结电容的存在，电流会从正向转换为负向(可理解为电容放电过程)由于电容的电压不突变特性与电磁感应定律，在储存的电荷未完全释放时，二极管两端的电压基本维持不变(图中所示的td时间内)

之后电压迅速下降(类比于电容的反向充电过程)，波谷的出现则是由于电路中存在一定的电感，随后电压回复至反向电压处

2)开通过程

在开通过程中，要克服先前在关断状态下二极管产生的内电场，需要一个较大的电压来克服这个内电场，且随着电流的增大，由于器件本身具有一定的电感，会产生反向电动势阻碍变化的发生，因而出现一个尖峰。

需要注意的是，相较于关断过程，开通过程通常时间较短，可忽略不计。

3)一些描述该过程的参数

关断过程：

延迟时间td;电流下降时间tf;反向恢复时间trr = td + tf;反向峰值电流IRP;反向峰值电压URP

开通过程：

过充电压UFP;正向恢复时间tfr

4.常用电力二极管种类及特点

1)普通二极管：

有PN结，多用于开关频率不高(1kHz以下)的整流电路中;缺点是反向恢复时间较长，一般在5以上;优点是正向电流定额和反向电压定额可以达到很高。等级齐全，有等级很高的品种。

2)快速恢复二极管：

快恢复二极管的内部结构与普通PN结二极管不同，它属于PIN结型二极管，即在P型硅材料与N型硅材料中间增加了基区I，构成PIN硅片。因基区很薄，反向恢复电荷很小，所以快恢复二极管的反向恢复时间较短，正向压降较低，反向击穿电压(耐压值)较高。

其正向压降高于普通二极管(1-2V)，反向耐压多在1200V以下。从性能上可分为快恢复和超快恢复两个等级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在100纳秒以下。

3)肖特基二极管：

肖特基二极管(SBD)是利用金属与半导体接触形成的金属-半导体结原理制作的。因此，SBD也称为金属-半导体(接触)二极管或表面势垒二极管。

由于肖特基二极管结构中不含PN结，在开通与关断过程中不会有上文中所描述的动态特性，而是在两个电压之间进行平滑的过渡，大大降低了恢复时间，甚至可以小到几纳秒。

原理：肖特基二极管是贵金属(金、银、铝、铂等)A为正极，以N型半导体B为负极，利用二者接触面上形成的势垒具有整流特性而制成的金属-半导体器件。因为N型半导体中存在着大量的电子，贵金属中仅有极少量的自由电子，所以电子便从浓度高的B中向浓度低的A中扩散。显然，金属A中没有空穴，也就不存在空穴自A向B的扩散运动。随着电子不断从B扩散到A，B表面电子浓度逐渐降低，表面电中性被破坏，于是就形成势垒，其电场方向为B→A。但在该电场作用之下，A中的电子也会产生从A→B的漂移运动，从而消弱了由于扩散运动而形成的电场。当建立起一定宽度的空间电荷区后，电场引起的电子漂移运动和浓度不同引起的电子扩散运动达到相对的平衡，便形成了肖特基势垒。

肖特基二极管也有其缺陷，由于元件原理是势垒形成的电场，因而肖特基二极管无法承受过高的反向电压，且其反向漏电流较大。因此，常被使用于高速、低压、大电流的场景中。