二极管在电力整流中的作用

p-n二极管

二极管的作用是在一定方向上阻止电流流动，允许它在相反方向上移动。这一原理的核心是经典的p-n结，它是在重掺杂的n+衬底上形成一个n型漂移层。然后，通过在n型层中植入p型掺杂剂（离子注入）来实现p+层。

p掺杂区域是阳极，n掺杂区域是阴极。移动电荷载流子通过结并复合，在此形成一个没有自由载流子、只有原子核的中性且非导电区域。这被称为耗尽区。因为漂移电流和扩散电流抵消，我们得到了零净电流。

现在，如果我们给阳极加正偏压，给阴极加负偏压，我们就会引入额外的电荷载流子[电子]，它们将向耗尽区移动，耗尽区将消失，当我们不再有剩余的耗尽区时，二极管变得导电。

由于需要一定的电压来使二极管导电，我们引入了一个重要的二极管参数：正向电压(VF)。同样，如果我们以反向偏压，将更多的电荷载流子推出系统，我们将扩大耗尽区。结果是没有电流流动，二极管进入截止状态。这导致了二极管的第二个相关参数，即截止电压。

在截止状态下，我们仍然有一些少数载流子，它们会产生一小部分电流流动，这就是另一个重要参数，称为漏电流[IR]，它是在反向方向流动的电流。

其他类型的二极管：肖特基、SiGe和SiC

另一个相关的整流器类型是肖特基二极管，它由金属与n型半导体接触组成。其主要优势包括较低的正向电压和快速开关时间(trr)。然而，肖特基二极管也表现出较高的反向漏电流。另一方面，击穿电压主要由外延层的厚度和掺杂选择确定，因此，随着规格中击穿电压的提高，肖特基整流器的效率变得较低。市场上很难找到超过200V的VBR。

硅锗(SiGe)和碳化硅（SiC）整流器

它消除了其他类型的很多权衡，将肖特基整流器的最佳特性与快恢复设备相结合。特别是，SiGe整流器具备高热稳定性，使其成为高温应用的良好选择。

宽禁带材料如碳化硅(SiC)具有优越的材料属性。SiC的能带间隙是硅的3倍，击穿场强是硅的10倍，电子速度是硅的2倍，热导率是硅的3倍。这使得二极管能够具有超过600V的截止电压。

已经看到，不同技术的分立功率二极管，每种都有其独特的原子结构和特性。因此，选择哪种技术取决于特定应用的要求。

二极管的I-V特性

该曲线的y轴是电流，x轴是电压。曲线的形状由耗尽区的电荷载流子运输决定。

如果施加一个正向电压，则最初几乎没有电流流通。但是，如果这个电压超过了某个阈值，二极管就会导电。同样，如果施加负电压，耗尽区仍然表现为绝缘体，直到某个电压，二极管变得不稳定并击穿。

此曲线关联的典型参数包括正向电流(IF)、VF、IR、反向电压(VR)和IFSM额定值，这表示二极管在正向偏置模式下能够承受的最大峰值电流。

由于温度的升高导致电荷载流子浓度升高和VF降低，因此正向特性在温度变化下看起来略有不同，主要是因为y轴指示是以对数刻度而不是之前所示的线性刻度。按照经验，VF每升高1K大约下降2mV，这种温度依赖性适用于所有类型的二极管。

如何选择正确的二极管

选择正确的二极管技术的决策过程严格取决于特定应用的要求。电力整流器几乎出现在我们日常使用或接触的每一个电子应用中。

在静态应用中，我们有反向极性保护，这是我们生活中经常遇到的，因为它用于保护系统免受错误连接电源的影响，第二个应用是电源ORing二极管，用于连接多个电源以提高可靠性或总功率耗散。

考虑反向极性保护应用，假设我们想保护一个系统，以承受高达60V的反向极性。在这种情况下，我们发现我们可以使用肖特基二极管、SiGe二极管或p-n二极管。对于这个系统，我们必须在正向电压降和漏电流之间找到折中。肖特基二极管有最低的VF；SiGe二极管在25°C时有最低的IR；p-n二极管在125°C时有最低的IR。

肖特基技术具有最低的正向导通损耗(Pfwd)。因此，如果Pfwd是主要的选择标准，应选择平面低VF二极管。SiGe技术提供了最低的反向导通损耗(Prev)。在高温下，p-n技术的表现与SiGe相同。因此，如果Prev是主要的选择标准，应选择SiGe二极管，因为其Pfwd比p-n技术小。此外，还应该将对瞬态脉冲的鲁棒性（例如，在启动时的涌入电流）视为一个额外的选择标准。

二极管在整流器动态应用中都扮演着重要的角色，全桥整流器中，它用于将交流电转换为直流电，降压转换器中的续流二极管，反激转换器中的升压二极管和反向电容二极管，以及引导启动二极管。