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1、单元 功率二极管,2.1 常见的半导体分立器件 2.2 功率二极管 2.3 功率二极管的散热措施,半导体二极管 （DIODE),双极型晶体管 (TRANSISTOR),晶闸管（ SCR）,场效应晶体管 (FET, Field Effect Transistor ),一、常用半导体分立器件及其分类,普通二极管,齐纳二极管(ZENER DIODE),整流二极管,发光二极管（LED）,LED灯,三极管,场效应管（MOSFET),顺德职业技术学院电子工程系,晶闸管,晶闸管,国产半导体分立器件的型号命名,半导体三极管的型号,国家标准对半导体三极管的命名如下: 3 D G 110 B,第二位：A锗PNP管
2、、B锗NPN管、 C硅PNP管、D硅NPN管,第三位：X低频小功率管、D低频大功率管、 G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管,用字母表示材料,用字母表示器件的种类,用数字表示同种器件型号的序号,用字母表示同一型号中的不同规格,三极管,普通二极管：整流二极管、检波二极管、稳压二极管、恒流二极管、开关二极管等；,特殊二极管：微波二极管、变容二极管、雪崩二极管、SBD、TD、PIN、TVP管等；,敏感二极管：光敏二极管、热敏二极管、压敏二极管、磁敏二极管；,发光二极管。,半导体二极管,半导体二极管特点：,按照结构工艺不同，可分为点接触型和面接触型。,按照制造材料不同，可分为锗管和硅管。,点接触型
3、结电容小，适用于高频电路。 面接触型可通过较大的电流，多用于频率较低的整流电路。,锗管正向导通电压约为0.2V，反向漏电流大，温度稳定性较差。 硅管反向漏电流小，正向导通电压约为0.7V,SPICE Model for p-n Diode,二、功率二极管,1、功率二极管的结构 2、功率二极管的特性 3、性能参数 4、特种二极管,1、功率二极管的结构,功率二极管的外形、结构和电气 图形符号 a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号,以半导体PN结为基础 由一个面积较大的PN结和两端引线 以及封装组成的 （垂直结构型） 从外形上看，主要有螺栓型和平板型 两种封装 基本结构和工作原理与信息电子电路
4、中的二极管一样，具有单向导电性 PN结的正向导通状态 电导调制效应使得PN结在正向电流较大时压降仍然很低，维持在1V左右，所以正向偏置的PN结表现为低阻态,PN结反向阻断状态,二极管的许多工作特性都主要由轻掺杂区的杂质浓度决定，浓度越低，二极管的击穿电压越高。但杂质浓度降低之后，必然引起正向电阻RF增大，导致功耗增加，结温上升。因此低掺杂区的杂质浓度不能过低，对于大多数硅功率二极管来说，轻掺杂区的杂质浓度就是原始硅片本身的杂质浓度，因而硅片电阻率的不均匀性常常会直接导致二极管的反向穿通，从而使反向耐压能力下降。,Junction Breakdown,Who will die the first
5、?,一类是台面造型，即将硅片边沿磨成斜角，适合于面积较大的大功率二极管。,提高功率二极管的反向阻断能力，避免表面击穿，其PN结外露处通常都经过了特殊的造型处理。,正斜角pn结的势垒区,正斜角：斜角结构减小了pn结轻掺杂一侧的器件面积，表面处的耗尽层会扩大，减弱了表面的电场，使器件的击穿电压接近平面结,小负角时的pn结势垒区,斜角技术的缺点是减小了器件的有效面积，同时由于增大了空间电荷层的厚度，因而增大了反向电流中的产生和复合的分量。该技术仅适用于全硅片器件。,表面电场对斜角的依赖关系如右图所示,最优的正斜角角度为 30 60,负斜角很尖锐（小于10 ）,如在P+N结的表面露头处扩散一个低掺杂的
6、P型环，将表面的P+N结变成PN结，从而使空间电荷层变宽，提高了其反向击穿电压。 适用于 功率较小的高反压二极管。,另一类是加保护环（也称终端延伸技术）,只要数目足够多，击穿电压就可以接近平面结的理想值。,也可以两者结合起来使用，以提高反向击穿电压。,器件设计者的目标之一就是利用最小的附加硅面积，得到尽可能接近VBR的击穿电压。,2 、 功率二极管的特性,(1) 伏安特性,二极管具有单向导电能力，二极管正向导电时必须克服一定的门坎电压Uth(又称死区电压)，当外加电压小于门坎电压时，正向电流几乎为零。硅二极管的门坎电压约为0.5V，当外加电压大于Uth后，电流会迅速上升。当外加反向电压时，二极
7、管的反向电流IS是很小的，但是当外加反向电压超过二极管反向击穿电压UBR后二极管被电击穿，反向电流迅速增加。,功率二极管的伏安特性,(2) 开关特性,对于高频应用中的功率二极管，除了功率消耗和反向阻断能力外，它在导通过程和关断过程中的瞬态特性也是不容忽视的，某些时候甚至会上升为第一位的重要问题。,功率二极管的动态过程波形 a) 正向偏置转换为反向偏置 b) 零偏置转换为正向偏置,IRP电流过冲最大值 URP电压过冲最大值,ts存储时间 tf电流下降时间 trr=ts+tf反向恢复时间,电压过冲现象,一、开通过程,正向电压会随着电流的上升首先出现一个过冲，然后才逐渐趋于稳定。,电压过冲的物理机制
8、：,一是阻性机制，即少数载流子的电导调制作用。在导通初期，二极管的电阻主要是低掺杂的N区的欧姆电阻，其值颇高，且为一常量，因而管压降随着电流的上升而升高。但是当电流上升到一定的数值时，注入并积累在低掺杂N区的少数载流子空穴不断增加，使其电阻明显下降，这就是电导调制作用。电导调制使N区的有效电阻随着正向电流的上升而下降，管压降即随之降低，从而形成一个峰值UFP。,二是感性机制。是指正向电流随着时间上升在器件内部的电感上产生压降。器件内部的电感由硅片电感和电极电感两部分。显然电感压降只存在于电流上升过程中，正向电流渐趋稳定时即为零。由于有电感压降的存在，因而峰值电压UFP必是电流上升率di/dt的
9、函数， di/dt越大， UFP也就越高。,UFP中的阻性分量只在di/dt较小时才起主要作用。,描述二极管开通过程特征参数除了di/dt和UFP外，还有一个正向恢复时间tfr,Tfr 定义：正向电压从零经最大值UFP降至接近稳态压降的某个瞬态值所需要的时间。,对于硅功率二极管，该瞬态值通常定为2V。,二、关断过程,当二极管上的偏置电压的极性由正向变成反向时，该二极管并不能立即关断，必须经过一个短暂时间后才能获得反向阻断能力，进入关断状态。在关断之前会有显著的反向电流出现，并伴有明显的反向电压过冲。,二极管从导通到截止的过渡过程与反向恢复时间trr、最大反向电流值IRM，与二极管PN结结电容的
10、大小、导通时正向电流IFR所对应的存储电荷Q、电路参数以及反向电流di/dt等都有关。,关断过程自时刻tF开始，这时加在二极管上的偏置电压反向，正向电流IF以速率diF/dt下降，其值由开关电路的外电感L和反向电压UR决定即,对P+N结型二极管而言，随着电流的减小，存储在高阻N区的额外空穴的电导调制作用被削弱，加上器件内部电感的作用，管压降UF暂无明显变化，即便电流过零的时刻t0也只是有轻微下降，且仍为正向电压。,由于时刻t1的电流变化率di/dt=0，因而此时电感上的电压迅速下降至零，反向电压UR直接加在二极管上。然而在时刻t1之后，由于反向电流迅速下降，在电路电感中产生反向感生电动势叠加在
11、二极管上，而发生反冲至极大值URP，并在时刻t2附近下降至UR。,当空间电荷区附近的额外空穴即将抽尽，致使沿P+N方向的额外空穴电荷密度差PN0时，管压降即变为负极性。这时流经二极管的反向电流达到极大值IRP，然后迅速下降。空间电荷区迅速展宽，二极管重新获得反向阻断能力。,二极管的反向恢复时间trr:,普通二极管trr一般为25us左右，如国产ZP系列的硅整流二极管。 快恢复二管也称开关二极管， trr通常小于5us左右，如国产ZK系列的硅快速二极管 低于50ns称为超快恢复二极管,恢复系数Sr定义：,Sr越大，二极管的恢复性能越软。下图为几种二极管的瞬态电流波形，由于阶跃二极管在关断过程中d
12、i/dt越高，则过冲峰值电压URP越高。,3、 功率二极管的主要参数,图为常州银河半导体有限公司快恢复二极管的主要参数,指对二极管所能重复施加的反向最高峰值电压 。一般取反向不重复峰值电压URSM的80称为反向重复峰值电压URRM，也被定义为二极管的额定电压URR。显然，URRM小于二极管的反向击穿电压URO。,(1) 反向重复峰值电压URRM,选用二极管的定额一般为其可能承受最高峰值电压的两倍,(2) 额定电流IF（AV） 二极管的额定电流IF被定义为其额定发热所允许流过的最大工频正弦半波电流平均值。其正向导通流过额定电流时的电压降UFR一般为12V。当二极管在规定的环境温度（+40）和散热
13、条件下工作时，通过正弦半波电流平均值IF时，其管芯PN结温升不超过允许值。若正弦电流的最大值为Im，则额定电流为,(3) 最大允许的全周期均方根正向电流IFrms 二极管流过半波正弦电流的平均值为IF时，与其发热等效的全周期均方根正向电流IFrms为 由式(1-1)和(1-2)可得,应用中应按有效值相等条件来选取二极管的定额。,(4) 最大允许非重复浪涌电流IFSM 指二极管所能承受的最大的连续一个或几个工频周期的过电流。 该值比二极管的额定电流要大得多。实际上它体现了二极管抗短路冲击电流的能力。,在PN结不受损坏的前提下，二极管所能承受的最高平均温度。一般在125-175范围内。,（5）最高
14、工作结温TJM,指二极管由导通到截止、并恢复到自然阻断状态所需的时间。 定义从二极管正向电流过零到其反向电流下降到其峰值的10%的时间间隔。 与di/dt、TJ、IF有关。,（6）反向恢复时间trr,（7）正向压降VFM,当功率二极管承受的正向电压大到一定值（门槛电压VTO），正向电流才开始明显增加，处于稳定的导通状态。 与正向电流IF（IAV）对应的电力二极管上的两端电压VF即为正向电压降,（8）反向漏电流,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 反向漏电流是二极管的一个重要参数，反向漏电流越大，单向导电性能越差。 一般硅反向漏电流约为1uA至几十微安，锗约为
15、几十微安至几百微安。 PN结漏电流随温度上升，急剧增大，一般温度每升高10，其反向漏电流值约增加1倍。,功率二极管属于功率最大的半导体器件，现在其最大额定电压、电流在8kV、6kA以上。 二极管的参数是正确选用二极管的依据。,4、特种二极管,（1） 快恢复二极管 （2）稳压二极管 （3）肖特基二极管,1. 普通二极管Line-frequency Diodes正向压降可以设计的尽可能的低，但是通常trr较大，用于线性频率的系统， 耐压几千伏，电流几千安。 2. 快恢复二极管Fast-recovery Diodes用于变频电路，trr只有几个微秒，功率二极管的耐压为几百伏，可以导通几百安培。，反向
16、恢复时间短50ns，正向压降低0.9V左右，反向耐压一般在1200V以内 3. 肖特基二极管Schottky Diodes导通压降只有0.4V（forward voltage drop）反压为50-100V。反向恢复时间更短，1040ns，不会有明显的电压过冲。缺点是当提高反向耐压时，正向压降也会提高，多用于200V以下的低压场合；反向漏电流也很大。,（1） 快恢复二极管,一、FRD（ Fast Recovery Diode ）,采用扩散法和少子寿命控制技术制成，特点是反向恢复很快、成本低，但是反向恢复波形很硬。,阶跃二极管（硬恢复二极管）瞬态电流波形,（a) 阶跃二极管的杂质浓度分布,E,(b) 少子浓度分布,减速场,阶跃恢复二极管,在PN结边界处具有陡峭的杂质分布区，从而形成“自建电场”。由于PN结在正向偏压下，以少数载流子导电，并在PN结附近具有电荷存贮效应，使其反向电流需要经历一个“存贮时间”后才能降至最小值（反向饱和电流值）。阶跃恢复二极管的
