功率二极管的工作原理及结构

功率半导体二极管，简称为功率二极管，与其较小的结构信号二极管相比具有更大的PN结面积，从而实现高达数百安培(KA)的高正向电流能力和高达数百安培的反向阻断电压到几千伏(KV)。

功率二极管作为最基本的电力电子器件，在电力电子系统中有着最广泛的应用，其主要结构——PN结是其他功率半导体器件的基础。

功率二极管提供不受控制的电源整流，用于电池充电和直流电源以及交流整流器和逆变器等应用。由于它们的高电流和电压特性，它们还可以用作续流二极管和缓冲网络。

功率二极管的工作原理

功率二极管的工作原理与普通的PN结二极管类似。当阳极端电压高于阴极端电压时，功率二极管导通。功率二极管的正向压降范围非常小，约为 0.5V – 1.2V。在这种模式下，功率二极管作为正向特性工作。

如果阴极电压高于阳极电压，则功率二极管执行阻断模式。在这种模式下，功率二极管的表现类似于反向特性。

由于功率二极管具有较大的PN结，因此不适用于1MHz以上的高频应用，但可提供特殊且昂贵的高频，高电流二极管。对于高频整流器应用，通常使用肖特基二极管，因为它们的反向恢复时间短，并且在正向偏置条件下具有低压降。

功率二极管的结构

图：功率二极管结构示意图

功率二极管的结构如图所示，其核心部分是PN结，为了提高耐压水平，采用PIN结构，其中N-区的厚度和掺杂水平表征了二极管的耐压水平;而为了提高载流能力，功率二极管大都采用垂直导电结构，可以让硅片中流过电流的有效面积增大。PN结反偏时，外电场方向和内电场方向相同，抑制扩散运动，促进漂移运动，但是因为少子的浓度很小，所以这种漂移电流很小，只产生很小的反向漏电流，PN结处于截止状态。不加外接电压时，多子的扩散运动会形成方向从N区指向P区内电场(空穴由P区扩散至N区，电子由N区扩散至P区)，能够阻挡扩散运动，促进漂移运动，二者平衡时形成空间电荷区(内电场/自建电场)又称为耗尽层或阻挡层。空间电荷区中的电场方向从N区指向P区。当空间电场由高掺杂的N+区承受，即穿透了漂移区时称为穿透型(PT)二极管;反之，非穿透型(NPT)二极管中，空间电场无法穿透N-漂移区。电力二极管中承受反向电压的主要是漂移区，因此漂移区的厚度和掺杂程度直接影响二极管的耐压值，然而越厚的漂移区伴随的缺点是导通损耗就越大。

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