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二極管是半導體器器件中結構最為簡單的器件
2018.05.31

二極管是半導體器器件中結構最為簡單的器件,但它是一種十分重要的基礎器件。從某種意義上講,是任何其他器件替代不了的。例如,自大功率器件IGBT問世后,在很大范圍內代替了大功率晶體管GTR。但卻無其它新型器件去替代大功率普通整流二極管。而且它的家族仍然穩如泰山各司其職。

  在大功率電氣回路中目前經常用到的大功率二極管主要有:普通整流二極管、快速二極管、快速軟恢復二極管、肖特基二極管。本文根據現有資料重新編寫,除了大家所熟知的普通整流二極管不作介紹外,著重介紹后三種。

  一、快速二極管(快速恢復二極管Fast Recovery Diode)

  隨著電力電子技術的發展,各種變頻電路、斬波電路的應用不斷擴大,這些電力電子電路中的主回路不論是采用換流關斷的晶閘管,還是采用有自關斷能力的新型電力電子器件,如GTO,MCT,IGBT等,都需要一個與之并聯的快速二極管,以通過負載中的無功電流,減小電容的充電時間,同時抑制因負載電流瞬時反向而感應的高電壓。由于這些電力電子器件的頻率和性能不斷提高,為了與其關斷過程相匹配,該二極管必須具有快速開通和高速關斷能力,即具有短的反向恢復時間trr,較小的反向恢復電流IRRM和軟恢復特性。

  半導體器件中眾所周知的PN結就是一個二極管。其中導電的基本單元稱作為“載流子”,即電子和空穴。簡單說來二極管的單向導電性能就是應用了“載流子”的產生和消失的物理原理。正向導電時(P區接正、N區接負)PN結兩邊產生并充滿了大量“載流子”,可以在很低的電壓下導通較大的電流,呈現低阻狀態。反向阻斷時(N區接正、P區接負),PN結兩邊的載流子很快就變為零(有極少量遺留形成了漏電流),呈高阻狀態。載流子的產生、消失過程需要時間,于是有“開通時間”和“關斷時間”之稱。載流子存在時間稱為“壽命”?!皦勖拈L短會影響到“開通時間”和“關斷時間”。載流子壽命較長,二極管的開關速度相應較低。為提高其開關速度,可采用摻雜重金屬雜質和通過電子輻照的辦法減小載流子壽命,但這又會不同程度的造成不希望出現的二極管的“硬恢復特性”,它會在電路中引起較高的感應電壓,對整個電路的正常工作產生不小的影響。

  目前,國內快速二極管一般采用電子輻照控制載流子少子壽命,其軟度因子在0.35左右,特性很硬。國際上快速二級管的水平已達到2500A/3000V,300ns,軟度因子較小。

  二、快速軟恢復二極管

  恢復過程很短的二極管,特別是反向恢復過程很短的二極管稱為快速恢復二極管(Fast Recovery Diode)。高頻化的電力電子電路不僅要求快速恢復二極管的正向恢復特性較好,即正向瞬態壓降小,恢復時間短;更要求反向恢復特性也較好,即反向恢復時間短,反向恢復電荷少,并具有軟恢復特性。

  1、開通特性

  二極管的開通也有一個過程,開通初期出現較高的瞬態壓降,經過一定時間后才能處于穩定狀態,并具有很小的管壓降。這就是說,二極管開通初期呈現出明顯的“電感效應”,不能立即響應正向電流的變化。

  開通時二極管呈現的電感效應,除了器件內部機理的原因之外,還與引線長度、器件封裝采用的磁性材料等因素有關。電感效應對電流的變化率最敏感,因此開通時二極管電流的上升率dIF/dt越大,峰值電壓UFP就越高,正向恢復時間也越長。

  2、關斷特性

  所有的PN結二極管,在傳導正向電流時,都儲存電荷。但是當正在導通的二極管突然加一個反向電壓時,要把這些少數載流子完全抽出或是中和掉是需要一定時間的,即反向阻斷能力的恢復需要經過一段時間,這個過程就是反向恢復過程,發生這一過程所用的時間定義為反向恢復時間(trr)。值得注意的是在未恢復阻斷能力之前,二極管相當于處于短路狀態。

  用軟化系數S(Softness factor)來描述反向恢復電流由最大值IRM消失的速率。反向恢復電流的下降速度dIrr/dt是一個重要的參數。若dIrr/dt過大,由于線路存在電感L,則會使反向峰值電壓URM過高,有時出現強烈振蕩,致使二極管損壞,可以用軟特性和硬特性的概念來表示dIrr/dt對反向特性的影響。

  耗盡儲存電荷所需的總的時間定義為反向恢復時間trr,作為開關速度的量度,它是選用二極管時的一個非常重要的參數,一般用途的二極管trr為25μs左右,使用在整流以及頻率低于1kHz以下的電路中是可以的,但若用于斬波和逆變電路中,必須選用trr在5μs以下的快速恢復二極管,在一些吸收電路中要求快開通和軟恢復二極管。

  由軟度因子定義可知,它就是反映二極管在反向恢復的過程中基區少數載流子消失的時間長短。所以,軟度因子與少數載流子壽命、元件結構及結構參數等有密切的關系。所以改善軟度因子性能就要從這些方面入手,即控制少數載流子壽命、采用新的結構、新工藝。

  制作出一種反向恢復時間短、恢復時反向峰值電流小、且為軟恢復特性的高速二極管就顯得尤為重要。為此開發了不同結構的這種二極管,例如有;凹型階梯“陰極短路”結構帶輔助二極管的結構;陰極短路結構;自調節發射效率與理想歐姆接觸二極管(SIOD)等。

  三、肖特基二極管

  肖特基二極管是以其發明人華特?肖特基博士(Walter Hermann Schottky)命名的,SBD是肖特基勢壘二極管 (Schottky Barrier Diode,縮寫成SBD)的簡稱。它不是PN結,而是利用金屬與半導體接觸形成的金屬-半導體結原理制作的。因此,SBD也稱為金屬-半導體(接觸)二極管或表面勢壘二極管。

  1、特點

  肖特基二極管是近年來問世的低功耗、大電流、超高速半導體器件。由于SBD的反向恢復電荷非常少,故開關速度非???,開關損耗也特別小,反向恢復時間極短(可以小到幾納秒),尤其適合于高頻應用。其正向壓降低,僅0.4V左右,比PN結二極管低(約低0.2V)。而整流電流卻可達到幾千毫安。這些優良特性是快恢復二極管所無法比擬的。但其反向擊穿電壓比較低,大多不高于60V,最高僅約100V,反向漏電流比PN結二極管也大。發展100V以上的高壓SBD,一直是人們研究的課題和關注的熱點。近幾年,SBD已取得了突破性的進展,150V和 200V的高壓SBD已經上市,業界人士認為,即使不采用新型半導體材料,通過工藝和設計創新,SBD的耐壓有望突破200V,但一般不會超過600V。使用新型材料制作的超過1kV的SBD也研制成功,從而為其應用注入了新的生機與活力。

  SBD與PN結二極管一樣,是一種具有單向導電性的非線性器件。

  2、應用

  其多用作高頻、低壓、大電流整流二極管、續流二極管、保護二極管,廣泛應用于開關電源、變頻器、驅動器等電路?;蛟谖⒉ㄍㄐ诺入娐分凶髡鞫O管、小信號檢波二極管使用。

肖特基二極管結構符號特性曲線

肖特基二極管結構符號特性曲線

  3、性能比較

  下表列出了肖特基二極管和超快恢復二極管、快速恢復二極管、硅高頻整流二極管、硅高速開關二極管的性能比較。由表可見,硅高速開關二極管的trr雖極低,但平均整流電流很小,不能作大電流整流用。

各類二極管性能對比表

  4、SiC高壓SBD

  由于Si和GaAs SBD擊穿電壓較低,反向漏電流較大。碳化硅(SiC)材料是目前制作高耐壓、低正向壓降和高開關速度SBD的比較理想的新型材料。

  1999年,美國Purdue大學研制成功4.9kV的SiC功率SBD,使SBD在耐壓方面取得了根本性的突破。 SBD的正向壓降和反向漏電流直接影響SBD整流器的功率損耗。低正向壓降與較高的反向擊穿電壓在設計上是相矛盾的。因此必須折衷考慮。

  SiC是制作功率半導體器件比較理想的材料,2000年5月4日,美國CREE公司和日本關西電力公司聯合宣布研制成功12.3kV的SiC功率二極管,其正向壓降VF在100A/cm2電流密度下為4.9V。這充分顯示了SiC材料制作功率二極管的巨大威力。

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