1.2 电力二极管

半导体二极管是开通与关断均不可控的半导体器件，称为不控型或非控型器件。用于电力变换和电力控制电路中的半导体二极管，其电压、电流的额定值较大，即容量较大，这类半导体二极管称为半导体电力二极管。

电力二极管是电力电子器件中结构最简单、应用最广泛的一种器件，是不控整流的核心器件，目前已形成普通型、快恢复型和肖特基型等系列产品。电力二极管可改善各种电力电子电路的性能、降低电路损耗和提高电能使用效率。目前的电力开关器件体积较小，自身的散热能力也较小，故必须安装相应的散热器进行散热。

1.2.1 PN结的形成

完全纯净结构完整的半导体晶体称为本征半导体。常温下本征半导体可以激发出少量的自由电子（带负电），并同时出现相应数量的空穴（带正电），这两种不同极性的带电粒子统称为载流子。空穴的出现是半导体区别于导体的一个显著特点。本征半导体内，载流子数量极少，导电能力很差。温度对半导体内载流子浓度影响很大，温度升高，载流子浓度随之增大，从而半导体的导电能力随温度的升高而显著增强，这是半导体的一个重要特性。在本征半导体内掺入微量的杂质，半导体的导电能力就会发生显著的变化，这种半导体称为杂质半导体。杂质半导体分为电子型（N型）半导体和空穴型（P型）半导体两类。N型半导体中的杂质为五价元素，如磷，它使半导体增加许多自由电子，导致自由电子数远大于空穴数，此类半导体中自由电子为多数载流子（简称多子），空穴为少数载流子（简称少子）。P 型半导体中的杂质为三价元素如硼，它使半导体增加了许多空穴，导致空穴数远大于自由电子数，此类半导体中空穴为多数载流子，自由电子为少数载流子。

将N型半导体与P型半导体结合起来，在其接触交界面处两侧，由于电子及空穴的浓度差别，载流子在无规则的热运动中，将由高浓度区向低浓度区扩散，电子从N区向P区扩散，空穴从P区向N区扩散。电子离开N区后，留下不能移动的正离子，形成了带正电荷的区域；空穴离开P区后，留下不能移动的负离子，形成了带负电荷的区域。这样在接触界面两侧由不能移动的正负离子形成空间电荷区，形成了由N区指向P区的电场，称为内电场。内电场阻止载流子扩散，但可以帮助载流子进行漂移，即电子逆内电场方向由P区漂移回N区，空穴沿内电场方向由N区漂移回P区，漂移运动与扩散运动方向相反。当两者达到动态平衡时，就形成了一个稳定的空间电荷区，这个空间电荷区称为PN结，如图1.1所示。在空间电荷区内，多数载流子已扩散到对方并被复合，因此空间电荷区又称为耗尽层；空间电荷区的内电场对载流子的扩散运动起阻挡作用，故空间电荷区又称为阻挡层。内电场的存在说明N区电位高于P区电位，这个电位差是由于电子势能变化引起的，称为接触电位差。电子要从N区到P区必须越过这个被称为势垒的能量高坡，因此又把空间电荷区称为势垒区。

1.2.2 PN结的单向导电性与反向击穿

1.PN结的重要特征是单向导电性

当PN结加上正向外电压，即外电压正端接P区，负端接N区时，外加电场与PN结内电场方向相反，PN 结变窄，表现为一个很小的电阻，可以流过较大的正向电流，称为正向导通。当PN结加上反向外电压，即外电压的正端接N区，负端接P区时，外加电场与 PN结内电场方向一致，使PN结变宽，表现为一个很大的电阻，这时反向饱和电流只有微安数量级，可以认为没有电流流过，称为反向截止。这就是PN结的单向导电性，如图1.2所示。

2.PN结的反向击穿

PN结具有一定的反向耐压能力，如果反向电压增加过大，达到反向击穿电压时，反向电流将会急剧增大，这种状态称为反向击穿。反向击穿有时会造成PN结损坏。PN结反向击穿有三种类型：雪崩击穿、齐纳击穿和热击穿。

（1）雪崩击穿

当加于PN结的反向电压增加时，使空间电荷区的电场强度增大，通过空间电荷区的电子和空穴的漂移运动被加速，其动能增大。这些高能量、高速度的载流子不断地与晶体原子相碰撞，可使共价键中的原子激发形成自由电子空穴对，这种现象称为碰撞电离。新产生的载流子在强电场的作用下也被加速，并重新获得能量，产生新的碰撞电离，导致载流子迅速成倍地增加，故称为雪崩倍增效应又称雪崩击穿。一旦发生雪崩倍增现象，载流子浓度将急剧增加，使反向电流急剧增大，从而导致PN结反向击穿。

（2）齐纳击穿

齐纳击穿又称隧道击穿，它与雪崩击穿的性质完全不同，它是在比较低的反向电压下发生的击穿。在高掺杂浓度的PN结中，P区与N区之间空间电荷区反向电场较强，再如上反偏电压使电场强度增加，进一步增强了P区中的一些电子穿过空间电荷区（称为隧道效应）进入 N 区变为自由电子的能力，并形成反向电流，即发生齐纳击穿。齐纳击穿主要决定于空间电荷区内的最大电场。齐纳击穿多发生在掺杂浓度高的特殊器件中。

（3）热击穿

上述两种击穿过程都是可逆的。只要在外电路中采取适当措施，把反向电流限制在一定范围内，保证功耗不超过PN结容许的耗散功率，那么当反向电压降低后PN结仍可恢复原来的状态。如果超过了容许的耗散功率，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，这种现象称为热击穿。热击穿必须尽可能地避免。

3.PN结的电容效应

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CJ。结电容影响PN结的工作频率，特别是在高速开关状态时，使其单向导电性变差，甚至不能工作。PN结电容是由性质不同的势垒电容和扩散电容共同造成的。

（1）势垒电容CB

PN结交界处形成的空间电荷区即势垒区，如同平行板电容器的极板，可以进行充放电。当PN结两端电压变化时，将引起PN结空间电荷区的改变，表现为电容效应，用势垒电容CB来描述。当PN结处于正向偏置状态且电压升高时，N区和P区中的多数载流子进入空间电荷区，使空间电荷区变窄，称为载流子的存储效应。存储电荷量随正偏压的增加而增加，相当于充电。当外加正向电压降低时，会有一部分载流子离开PN结，相当于放电。势垒电容不是一个固定不变的值，其大小随外加电压而改变。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，势垒电容的作用越显著。势垒电容CB的大小与PN结截面积成正比，与阻挡层厚度成反比。

（2）扩散电容CD

PN结的正向电流是由P区中的空穴和N区中的电子相互扩散形成的。当PN结外加正向电压时，大量电子由N区进入P区，空穴由P区进入N区。但电子进入P区后并不立即与空穴复合而消失，而是在靠近耗尽层的一定距离内（通常称为扩散长度）与空穴复合的同时继续扩散，空穴进入N区后亦然。可见在扩散长度内存储了一定数量的电荷，正向电流越大，存储电荷越多。它们随正向电压的变化亦具有电容的性质，称为扩散电容CD。

综上所述，PN结电容CJ的两种成分在不同外加电压条件下所占的比重不同。在正向偏置状态下，当正向电压较低时，因扩散运动较弱，扩散电容较小，势垒电容占主要成分；正向电压较高时，扩散运动加剧，扩散电容成为PN结电容的主要成分。在反向偏置状态下，扩散运动被抑制，因而表现出较小的扩散电容，因此结电容以势垒电容为主。

1.2.3 二极管的特性与参数

功率二极管是由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的，也有模块式结构。由于功率二极管流过很大电流，其中引线、焊接电阻压降等都有明显影响，同时为了提高耐压，掺杂浓度低也造成压降较大。

1.伏安特性

功率二极管的电路符号及伏安特性如图1.3所示。

当加于二极管的正向电压上升到一定值后，正向电流才开始明显增加，二极管导通。此时所对应的正向电压UT0叫做二极管的门槛电压。二极管导通时的正向电流IF由外部电路决定，与IF相对应的二极管两端间的电压UF即为正向电压降。显然，门槛电压UT0小于二极管的稳态正向电压降 UF。电力二极管伏安特性于导通时的管压降，大电流硅电力二极管约为1V或略大于1V，小电流硅二极管约为0.7V，锗二极管约为0.3V。

当二极管施加反向电压时，只有少数载流子引起的微小且数值恒定的反向漏电流。由于PN结漏电流与温度有关，随温度升高而升高。所以二极管正向特性也与温度有关。当温度升高时，二极管正向特性向左平移。

2.开关特性

当二极管加正向电压处于稳定的导通状态时，二极管流过正向电流，PN结结电容充有一定量电荷，若外加电压反向，正向电流下降到零时，因结电容储存的电荷需要一定的释放时间，二极管不能立即截止，直至PN结存储电荷全部放出，二极管才能恢复截止状态。从加于空间电荷区的正向电压减小为零，到空间电荷区的载流子浓度开始衰减的这段时间称为延迟时间，在这段时间内二极管PN结仍保持导通状态，反向电流较大。此后，空间电荷区的载流子浓度进一步减小，开始承受反向电压，PN结变为反向偏置状态，反向电流明显下降，反向电压降上升，反向电流减小到等于反向饱和电流，此时二极管完全恢复到截止状态，这段时间时间称为电流下降时间。二极管的反向恢复时间等于延迟时间与下降时间之和，反向恢复时间对二极管的工作频率具有决定性的意义，它限制了二极管的开关速度。

当二极管已处于稳定的反向偏置状态，此时势垒电容已充有一定电荷，使阻挡层变厚。若突然加正向电压，在迫使二极管正向导通的过程中，要让二极管的PN结变为正向偏置，必须先将充入势垒电容中的电荷放掉，并且只有当正向电压上升到门槛电压以上时，PN结才会有正向电流流过，这一过程所需要的时间称为正向恢复时间。正向恢复时间同样也限制了正向电流上升速率和开关速度。

3.性能参数

（1）额定正向平均电流。IF二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。其定额方法是在指定壳温、规定散热条件下二极管流过工频正弦半波的平均电流，在该电流下由于二极管的正向压降引起的损耗使结温升高不超过最高允许结温。由此定额方法可知，正向电流是按发热条件定义的，在应用中应按有效值相等条件来选取二极管定额。

（2）反向重复峰值电压URRM。二极管反向所能施加的最高峰值电压。通常是反向雪崩击穿电压 UB的 2/3。使用时，通常按电路中二极管可能承受的最高峰值电压的两倍来选取二极管定额。

（3）最高允许结温TJM

结温是指整个PN结的平均温度，最高允许结温是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。最高允许结温TJM通常在125～175℃范围之内。

（4）反向恢复时间trr

反向恢复时间是指从二极管正向电流过零到反向电流下降到其峰值10%时的时间间隔。它与反向电流上升率、结温、开关前的最大正向电流等因素有关。

1.2.4 二极管的分类

具有单向导电特性的二极管在不同的电路中起着不同的作用，例如，在交流—直流变换中作为整流器件，在电感滤波及具有电感元件的电路中作为续流元件，在晶闸管逆变电路中作为反向充电和能量传输元件，在各类变换器中作为隔离、箝位、保护元件等。由二极管的工作速度来决定它的适用范围，如在工频整流电路中，基本上对二极管开关速度没有什么要求，而在高频变流器中就必须采用恢复时间短的二极管。依此二极管可分为三类：普通二极管、快恢复二极管和肖特基二极管。

1.普通二极管

普通二极管多用于1kHz以下的整流电路中，由于工作频率低，反向恢复时间并不重要，一般为25μs左右，在参数表中甚至不列出这一参数。电流定额由小于1A到数百安，电压等级从50V到高达5kV。

例如，国产 ZP 系列硅整流二极管主要用于无线电通信设备或其他电气设备的电源部分。

2.快恢复二极管

快恢复二极管也称为开关二极管，这类二极管的反向恢复时间通常小于5μs，适用于高频下的斩波和逆变电路。高于400V的快恢复二极管常用扩散法制造，用掺杂金或铂控制反向恢复时间的大小。用外延法制造的二极管具有更快的开关速度，使恢复时间可低于50ns，故称做超快恢复二极管。

国产ZK系列硅快速整流管主要用于无线电通信或其他电气设备的电源部分。

3.肖特基二极管

肖特基二极管是肖特基势垒二极管的简称，常用SBD表示。SBD是在金属与半导体接触后，电子从半导体向金属扩散，结果在半导体一侧形成空间电荷区、内电场和势垒。金属和半导体之间的接触势垒就是肖特基势垒。在外电压的作用下，SBD 也表现出单向导电的特性。但是，SBD在正向导通时，N型区中的电子是流到金属中而不是流到P型半导体中，因此不存在扩散电容的问题。恢复时间仅是势垒电容的充放电时间。其反向恢复时间远小于相同定额的结型二极管，正向压降较小，漏电流较大，电压定额较低。

1.2.5 散热措施

功率二极管中PN结的性能与温度密切相关。电流流过芯片时产生功率损耗，引起芯片温度上升。为保证器件正常工作，必须规定最高允许结温，最高结温对应的器件耗散功率即是器件的最大允许耗散功率。器件工作时不应超过最高结温和最大允许功耗值，否则器件可能损坏。工程实际中，结温通常是指芯片的平均温度，由于功率器件的芯片较大，温度分布并不均匀，可能出现局部比最高允许结温高得多的过热点，导致器件损坏，所以规定的最高允许结温远低于其失效温度，且随设备可靠性要求不同而不同，这就是结温减额使用。例如对于硅功率二极管最高工作结温取为135～150℃，对军用设备取125～135℃，对超高可靠性设备则取105°。

芯片温度的高低与器件内部功耗的大小、芯片到外界环境的传热条件（传热机构、材料、冷却方式等）以及环境温度等有关。设法减小器件的内部功耗、改善传热条件，对保证器件长期可靠运行有极其重要的作用。为了便于散热，功率二极管一般加装散热器。散热器用对流和辐射的方式将热能传到环境中去，散热器散热效果的优劣与散热器的材质、结构、表面颜色、冷却方式以及安装位置有关。散热器有平板散热器、型材散热器和叉指型散热器等，如图1.4所示。叉指型散热器比其他散热器体积小而质量轻。叉指型散热器的国产型号为SRZ系列，型材散热器国产型号有XC系列、DXC系列和XSF系列等。散热器表面应涂黑色漆或钝化，以提高辐射系数，黑色散热器比光亮散热器效果好，由于热气流向上流动，所以散热器应垂直安放，以便散热。常用的散热器冷却方式有自冷、风冷、液冷和沸腾冷却四种，如图1.5所示。

自冷是由空气的自然对流及辐射作用将热量带走的散热方式，结构简单、无噪声，不需维护，但散热效率低。风冷是采用强制通风、加强对流的散热方式，一般为自冷散热效率的2～4倍，噪声大。水冷方式散热效率极高，冷却介质除水外，还可采用变压器油等，但设备庞杂，投资高，占地面积大。沸腾冷却是将冷却介质放在密闭容器中，通过媒质物相的变化进行冷却，效率极高，且装置体积小，但造价昂贵。

器件直接安装在散热器上时，由于器件的封装形式不同，散热效果亦不同，散热优劣还与器件和散热器之间是否有垫圈、是否涂有硅油等情况有关，当接触面涂有硅油时，散热效果明显上升。器件管壳与散热器两平面接触时总是点接触，随压力加大，接触面加大，散热效果提高，因此，要求接触面应当尽量光洁、平整，无划伤、坑、瘤或异物等，必要时还应抛光或加镀层。