今天給大家講一下功率二極管。

功率二極管是什么器件？

功率二極管是二極管的一類，是一種簡單的半導(dǎo)體器件。與普通二極管一樣，功率二極管具有兩個端子并沿一個方向傳導(dǎo)電流。但功率二極管與普通二極管的區(qū)別還是有很大的。

功率二極管與普通二級管實物區(qū)別圖

功率二極管和普通二極管的區(qū)別

1、普通二極管是P型和N型，2層；功率二極管是有3層，p+層和n+層之間之間存在漂移區(qū)。

2、 功率二極管的電壓、電流和功率額定值較高，而普通二極管的電壓、電流和功率額定值都比較低。

3、功率二極管高速工作，普通二極管以更高的開關(guān)速度工作。

4、功率二極管適用于逆變器等使用大電流和電壓的地方，而普通二極管適用于小信號應(yīng)用。

下面為功率二極管和普通二極管的區(qū)別對比圖。

普通二極管的符號圖

功率二極管的結(jié)構(gòu)包括3層，如P+層、n-層和n+層。這里的頂層是 P+ 層，是重?fù)诫s。中間層為n-層，輕摻雜，最后一層為n+層，重?fù)诫s。下圖為示意圖。

功率二極管符號圖

功率二極管結(jié)構(gòu)圖

p+層充當(dāng)陽極，該層的厚度為10 μm，摻雜水平為Na，圖中有具體的數(shù)字。（公式的冪打起來麻煩）

n+層作為陰極，該層的厚度為250-300 μm，摻雜水平為Nd，圖中有具體的數(shù)字。

n-層作為中間層/漂移層，該層的厚度主要取決于擊穿電壓和摻雜水平為Nd，圖中也有具體的數(shù)字。一旦n-層寬度增加，則擊穿電壓將增加。

功率二極管工作原理

功率二極管的工作原理與普通的PN結(jié)二極管類似。當(dāng)陽極端電壓高于陰極端電壓時，功率二極管導(dǎo)通。功率二極管的正向壓降范圍非常小，約為 0.5V – 1.2V。在這種模式下，功率二極管作為正向特性工作。

如果陰極電壓高于陽極電壓，則功率二極管執(zhí)行阻斷模式。在這種模式下，功率二極管的表現(xiàn)類似于反向特性。

功率二極管正向偏置

功率二極管的工作方式與普通二極管有些相似?？紤]如下所示的功率二極管的正向偏置條件，其中電池的正極端子連接到陽極，負(fù)極端子形成與陰極的連接。

在這種情況下，結(jié)將獲得正向偏置，并且來自 p +區(qū)的多數(shù)載流子（空穴）開始注入到 n- 漂移區(qū)。當(dāng)注入速率較低時，p +區(qū)的空穴將與 n -區(qū)的電子復(fù)合。但是隨著注入速率的增加，空穴將穿透并與 n +區(qū)域的電子重新結(jié)合。這稱為雙重注射。由于漂移區(qū)內(nèi)的載流子流動和復(fù)合，一旦超過閾值，二極管就會開始大量導(dǎo)通。

功率二極管反向偏置

在反向偏置條件下，其中電池的負(fù)極端子與陽極連接，正極端子與陰極連接。

在這種情況下，結(jié)變?yōu)榉聪蚱?，并且與普通二極管一樣，功率二極管也在這種情況下停止導(dǎo)通。這里耗盡區(qū)延伸到漂移區(qū)，這將導(dǎo)致少數(shù)載流子難以穿透結(jié)。

需要注意的是，施加電位極性的突然變化不會立即停止電流的流動。此外，存儲在結(jié)中的少數(shù)電荷將導(dǎo)致小的漏電流（大約100 mA）以相反的方向流過二極管。該反向電流表現(xiàn)出對結(jié)溫變化的依賴性。一旦施加的電勢等于擊穿電壓，就會發(fā)生碰撞電離。

功率二極管的特性

功率二極管的特性主要是三個：

• VI特性

• 反向恢復(fù)特性

• 開關(guān)特性

接下來將針對這3個特性分別進行分析。

功率二極管的VI特性

下圖顯示普通二極管與功率二極管相對比的VI特性。

在用于正向的普通二極管中，在偏置區(qū)域中，電流呈指數(shù)增長，但在功率二極管中，高正向電流會導(dǎo)致高歐姆壓降，這在指數(shù)增長中占主導(dǎo)地位，并且曲線幾乎呈線性增長。

功率二級管和普通二極管的VI特性圖

功率二級管的VI特性圖

功率二極管可以承受的最大反向電壓用VRRM表示，即峰值反向重復(fù)電壓。

超過這個電壓，反向電流突然變得非常高，并且由于二極管的設(shè)計不是為了散發(fā)如此高的熱量，它可能會被破壞。該電壓也可以稱為峰值反向電壓（PIV）。

功率二極管的反向恢復(fù)特性

下圖描繪功率二極管的反向恢復(fù)特性。每當(dāng)二極管關(guān)斷時，電流從IF衰減到零，并且由于存儲在空間電荷區(qū)和半導(dǎo)體區(qū)中的電荷而進一步沿反向繼續(xù)。

功率二極管的反向恢復(fù)特性圖·

功率二極管的特點是正向恢復(fù)時間 ( t F ) 和反向恢復(fù)時間 (trr) 。

正向恢復(fù)時間（tF）：正向恢復(fù)時間是二極管開始導(dǎo)通所需的時間，稱為正向恢復(fù)時間。換句話說，二極管從關(guān)閉狀態(tài)切換到開啟狀態(tài)所花費的時間稱為正向恢復(fù)時間 ( t F )。

反向恢復(fù)時間（trr）：正向二極管電流衰減為零后，由于兩層中存在存儲電荷，二極管繼續(xù)反向?qū)?。反向流動的時間稱為反向恢復(fù)時間（trr）。二極管保持其阻斷能力，直到反向恢復(fù)電流衰減為零。

反向恢復(fù)時間：為從瞬時正向二極管電流變?yōu)榱愕剿矔r反向恢復(fù)電流衰減到其反向峰值 Irm 的 25% 之間的時間。

反向恢復(fù)時間：是兩段時間 ta 和 tb 的組合，即 trr = ta + tb。

其中時間 ta 是正向電流過零和峰值反向電流 Irm 之間的時間。在時間ta期間，存儲在耗盡區(qū)的電荷被移除。時間 tb 是從 Irm 的瞬間到達(dá)到 0.25 Irm 的瞬間測量的。在 tb carge 期間，去除了兩個半導(dǎo)體。

ta/tb 的比值稱為柔軟度系數(shù)或 S系數(shù)。軟度等于1的二極管稱為軟恢復(fù)二極管，軟度系數(shù)小于1的二極管稱為快恢復(fù)二極管或快恢復(fù)二極管。

功率二極管的開關(guān)特性

功率二極管將導(dǎo)通從反向偏置變?yōu)檎蚱脿顟B(tài)（打開）和反之（關(guān)閉）所需的時間更短。由于以下原因，在這些開關(guān)期間流過二極管的電流和施加在二極管上的電壓的行為至關(guān)重要。

較高的電壓/電流可能是由二極管在使用二極管的不同電路中切換引起的。

在二極管的開關(guān)操作過程中存在電壓和電流。對于每一個開關(guān)時間，二極管都會發(fā)生輕微的損耗。在高開關(guān)頻率下，這可能會導(dǎo)致二極管的整體功率損耗。

功率二極管的特征

功率二極管使用許多不同的 IC 封裝類型。示例包括：

• 二極管外形 (DO)

• 小外形二極管 (SOD)

• 晶體管外形 (TO)

• 小外形晶體管 (SOT)

• 分立封裝 (DPAK)

• 金屬電極無鉛面 (MELF)

DO-4、DO-5、DO-8、DO-9、DO-15、DO-27、DO-34、DO-35、DO-41 和 DO-201 是二極管外形 (DO) 封裝。

SOD-80、SOD-106、SOD-123、SOD-323 和 SOD-523 是小外形二極管 (SOD) 封裝。

TO-3、TO-66、TO-92、TO-202、TO-220、TO-237 和 TO-247 是晶體管外形 (TO) 封裝。

SOT23、SOT26、SOT89、SOT143、SOT223、SOT323、SOT343、SOT346、SOT353、SOT363、SOT416、SOT457 和 SOT523 是小外形晶體管 (SOT) 封裝。

用于功率二極管的 MELF 封裝包括 QuadroMELF、MicroMELF 和 MiniMELF。

D2PAK 是一種包含散熱器的大型表面貼裝封裝。SC-59、SC-74 和 SC-76 是具有三個引線的塑料表面貼裝封裝。

功率二極管選型需要注意哪些參數(shù)？

平均正向電流

通常用于 50/60 Hz 正弦波信號的平均整流正向電流。它是在二極管導(dǎo)通的一半交流信號和另一半二極管不導(dǎo)通時的平均值。

最大重復(fù)正向電流

是功率二極管可以在不損壞的情況下傳導(dǎo)的最大電流。這通常用于電源線電壓的電源整流。

最大直流反向電壓

是功率二極管可以處理的最大連續(xù)電壓。任何電壓尖峰都應(yīng)在這個可容忍的范圍內(nèi)。整流二極管通常與電容器并聯(lián)以平滑高壓尖峰。

重復(fù)峰值反向電壓

功率二極管可以處理的交流信號的最大反向電壓。重復(fù)峰值反向電壓總是小于最大直流反向電壓。

最大工作峰值反向電壓

是二極管可以隨時處理的最大反向電壓。交流信號的任何峰值電壓或連續(xù)信號的幅度不應(yīng)超過此值。

反向漏電流

是反向偏壓下流過功率二極管的反向電流。該電流是由熱效應(yīng)引起的，并且是由少數(shù)電荷載流子貢獻的。功率二極管的漏電流可達(dá)數(shù)百毫安。

反向恢復(fù)時間

當(dāng)二極管從正向偏置切換到反向偏置時，電流從正向電流水平下降到漏電流水平所需的時間稱為反向恢復(fù)時間。它通常以納秒為單位。當(dāng)功率二極管必須用于 SMPS 等高速開關(guān)應(yīng)用時，這是一個重要參數(shù)。

最高溫度

是二極管所能承受的最高溫度。在正向偏置中，二極管會因電流而發(fā)熱。這是二極管的結(jié)溫。環(huán)境溫度也會加熱二極管。隨著溫度的升高，通過二極管的電流增加，二極管溫度也隨著電流的增加而升高。這最終會損壞二極管或?qū)е虏豢深A(yù)測的行為。因此，二極管必須僅在適當(dāng)?shù)墓ぷ鳁l件下使用。

功率二極管類型

有許多不同類型的功率二極管，包括：

• 大電流二極管

• 高壓二極管

• PN功率二極管

• PIN功率二極管

• 射頻功率二極管

• 開關(guān)功率二極管

• 整流功率二極管

基本功率二極管由內(nèi)置在芯片中的二極管組成。功率二極管陣列由單個硅芯片上的多個離散且通常未連接的器件組成。PIN 數(shù)和嵌入式二極管的數(shù)量因集成電路 (IC) 封裝類型而異。

功率二極管應(yīng)用

功率/整流二極管的常見應(yīng)用如下：

• 半波整流

• 全波整流

• 電池充電電路

• 逆變器電路

• 直流電源

• 開關(guān)電源

功率二極管的優(yōu)缺點

功率二極管的優(yōu)缺點包括以下幾點：

• 這個二極管的PN結(jié)區(qū)很大，可以提供很大的電流，但是這個結(jié)的電容也可以很大，工作在較低的頻率，一般只用于整流。

• 它將在大電流和高電壓下解析交流電。

• 主要缺點是它的尺寸和可能需要在傳導(dǎo)高電流時固定在散熱器上。

• 它需要專門的硬件來安裝和與周圍可用的金屬框架絕緣。