电力二极管

定义：功率二极管或高功率二极管是具有类似于正常PN结二极管的两个端子（阴极和阳极）的功率半导体器件之一，但是具有更高的功率处理能力。这些设计用于处理正向偏置条件的几千伏电流，功率损耗可忽略不计，并且必须在反向偏置状态下阻塞几千伏。

更简单地说，功率二极管是设计用于在高电压下传输大量电流的器件。功率半导体器件主要应用于电力电子电路．

象征性地，功率二极管表示为:

在详细介绍功率二极管之前，有必要回顾一下

什么是二极管?

普通二极管是一个具有PN结的低功率二极管，也被称为信号二极管．我们已经在前面的内容中讨论过二极管提供单向电流。它是p型和n型半导体材料的组合，正向偏压时导电，反向偏压时阻断电流流动。

一个功率二极管也有一个PN结，允许电流在只有单方向．但它与低功率二极管的结构和所提供的功能不同。从这里的功能，我们的意思是通过高功率二极管提供的电压，电流和电力额定值的增强级别。此外，与信号二极管不同，这些以较低的开关速度运行。

PN结基础知识

负责各种功率半导体器件操作的基本实体是P-N结。即使在信号二极管中，我们已经看到P-N结通过P和N型半导体材料之间的物理接触而形成。

我们已经熟悉了p型有多数空穴和少数电子，而n型有多数电子和少数空穴的基本原理。然而，要形成功率二极管，需要p和n类型材料的浓度变化。p型材料可表示为p⁺， p, p^-，n类型可以用n表示⁺， n, n^{- - - - - -}根据掺杂浓度的变化。

因此，一般来说，我们可以得出结论⁺作为一种高掺杂的p区和n^{- - - - - -}作为轻微掺杂的n区域。

需要功率二极管吗?

基本上，信号二极管用于低功率整流电路。然而，在所有这些需要大正向偏置电流和高反向偏置阻塞电压的应用中，小信号二极管表现不佳。这是因为信号二极管在构造上不能处理如此大的电流，所以万一提供了大电流，它们就会过热，导致设备损坏。

因此，为了克服信号二极管的缺点，功率二极管应运而生。

现在，问题来了，它是怎么做到的?

功率二极管比信号二极管提供一个相对较大的p-n结区。因此，它提供了一个高正向电流的能力，范围为几百安培和一个大的值阻止反向电压，即，高达几千伏特。

功率二极管的结构

我们已经讨论过功率二极管的构造方式与信号二极管的构造方式不同。一个信号二极管仅仅有一个PN结。但为了适应大功率二极管对高电压和高电流的应用，它的构造相当复杂。

功率二极管的结构如下图所示:

一个n⁺重掺杂的衬底被认为是外延的n^{- - - - - -}层生长，磷扩散⁺层发生在n上^{- - - - - -}地区。这个p⁺区域形成阳极连接，n⁺衬底形成阴极连接。

在讨论p-n结二极管时，我们发现那里没有这种结构。因此,这里p⁺和n⁺分别为阳极区和阴极区^{- - - - - -}区域作为一个漂移区域。在反向偏置条件下，损耗区被漂移区吸收。n的厚度^{- - - - - -}在反向偏置的二极管的区域和击穿电压彼此显示出直接比例。

因此，越宽^{- - - - - -}区域内，击穿电压越高。

然而，在正向传导模式下，n^{- - - - - -}区域求和欧姆电阻二极管。这导致了大的功率耗散，为了解决这个问题，必须作出冷却安排。

功率二极管的工作

功率二极管的工作方式与普通二极管的工作方式有些相似。考虑下面所示的功率二极管的正向偏置条件，其中电池的正极连接到阳极，负极连接到阴极。

在这种情况下，Junction J₁会从p中得到偏置和多数载流子(洞)吗⁺区域开始注入到n漂移区域。当注入速率较低时，p⁺区域会和n的电子重新结合^{- - - - - -}地区。但随着注射速率增加，孔将通过N的电子渗透并重新组合⁺地区。这就是所谓的双注入．由于载流子的流动和漂移区域内的复合，一旦超过阈值，二极管就开始导电。

现在，考虑反向偏置的情况，电池的负极与阳极相连，正极与阴极相连。

在这种情况下，结成为反向偏置和像一个正常的二极管，功率二极管也停止传导在这种情况下。在这里耗尽区扩展到漂移区，这将导致少数载流子穿透结和重组的困难。

但是在这里要注意的是，施加的电势极性的突然改变并不会立即停止电流的流动。此外，储存在结中的少量电荷会导致小的泄漏电流(有序)流动100毫安)以相反的方向通过二极管。这种反向电流取决于结温的变化。

一旦施加的电位与击穿电压相等，就会发生冲击电离。

什么是撞击电离?

反向施加的电压激发电场，使电子得到加速。在获得足够的动能后，移动的电子可以从硅原子的共价键中释放出更多的电子。这个累积过程产生了大量的自由电子，由此产生了大的反向电流流过装置。

这种大的反向电流大大增加了功率耗散，因此可能导致破坏二极管。因此，必须避免设备在反向击穿区域的操作。

电流-电压特性

最初在没有电源电压的情况下正向电流为0，但随着电源输入的增加，达到阈值(约0.7 V)，有少量正向电流流过设备。一旦超过阈值，当二极管开始导通时，会注意到二极管电流(1V)的显著增加。当电压增加超过阈值时，正向电流线性上升。

在反向偏置模式下，泄漏电流流过设备，与施加的电位无关，但一旦击穿，即使在电压近似恒定的情况下，也会有大量的反向电流流过。

反向恢复特性

正如我们最近所讨论的，即使在去除正向施加的电压后，二极管仍然由于耗尽区和半导体层中的存储电荷而导电。所以，泄漏电流流动的时间反向恢复时间，t_rr．直到漏电流为0时，二极管的阻塞能力才恢复。

t_rr是个从正向电流消失到反向恢复电流仅为峰值I的25%的时间_RM．

从图中可以清楚地看出

t_rr= t_一个+ T._b

t:_一个正向电流过零和反向电流峰值I之间的间隔是多少_RM．在t_一个耗尽区内的电荷消失了。而T._b从反向电流峰值I开始的持续时间是多少_RM我的0.25%_RM．在t_b，来自半导体层的电荷就会被移除。

t的比值_b和T_一个称为柔软的因素一般是统一的，所以S等于1的二极管称为软恢复二极管。而如果是s> 1，则称为快速恢复二极管或快速恢复二极管。

功率二极管类型

功率二极管的分类是根据其具有的反向恢复特性进行的。

1. 通用二极管这些拥有_rr相当高的即，关于25微秒．低频应用，如整流，转换器操作近1KHz使用该二极管。它的额定电流在1a到几千安培之间，额定电压在50v到5kv之间。
2. 快恢复二极管：这些展览T._rr相当低，即大约5微秒．主要用于电力转换系统。它的额定电流在1a到几千安培之间，额定电压在50v到3kv之间。
3. 肖特基二极管在这些二极管中，金属-半导体结代替p-n结，而金属结一般选用铝，半导体结选用硅。额定电流为1a ~ 300a，额定反向电压为100v左右。

应用程序

由于功率二极管的特性，它们主要用于续流二极管，在交直流和直流电转换系统中，整流，app1manbetx客户端 等。与此同时，功率二极管也被用于电镀，联合包裹直升机,bet体育万博 ,694manbetx 也