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关于功率二极管你想知道的都在这

2021年05月01日 18:14 嵌入式情报局 作者:嵌入式情报局 用户评论(0

1、二极管结构原理

如下是功率二极管的原理图:

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二极管主要是由一个P型和一个N型半导体组成,算是最简单、使用最广泛的器件,二极管的功能很简单 : 正向导通,反向关闭。

其原理就是一个PN的节的原理,而后面的三极管等都只是PN节的叠加,下面的知识几乎是所有功率器件的基础。

在实际二极管型号中一般会有一个白色的圈表示为负极。

从二极管的结构来看,其实就是一个PN节,只要PN足够近(电子轨道连接)就使得PN节形成了一个大晶体,从而两边的载流子和相互交换移动等。

然而P型半导体中空穴的浓度高,而N型半导体电子的浓度高,在没有加电压即没有静电场的情况下,不会存在载流子的漂移运动,但由于载流子浓度差存在扩散运动。

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如上图所示由于PN载流子浓度不同形成扩散,扩散前PN均不带电呈中性,这里特别要注意的是PN半导体材料中的电子和空穴的浓度高不是说其独立的电子和空穴浓度,而是处于导带中的电子和空穴浓度。

一旦产生扩散以后P型半导体中会进来更多的电子,而N型半导体中会进来更多的空穴,所以P型半导体会带上负电,而N性半导体会带上正电。

这样在扩散的过程中会形成扩散电流,其中中间区域肯定是首先开始扩散,这样两边拥有不同的电荷就形成了静电场。

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如上图所示在电场的作用下P中的电子会向N中漂移,形成N--》P的漂移电流,同样空穴也是类似的,那么扩散电流与漂移电流反向相反,最终扩散电流与扩散形成的电场产生的漂移电流相等形成了稳态。

中间存在电荷的区域也叫空间电荷区,空间电荷区以外是中性区,这样PN节交界处的电场强度最强,越往两边越弱。

2、PN节零偏

零偏就是外部没有电流流过,二极管处于稳定状态,前面了解到,PN节中间会存在一个电场,那么相当于二极管两端有一个类似于电压源的形式,且对于Si材料电压差一般约为0.7V。

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电场强度是电荷的积分,而电势为电场对距离的积分,波形如上图所示,既然存在电势差我们应该可以使用万用表进行测量,而你会发现实际是无法测量的,原因如下:

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由于在测量过程中PN节分别与金属表笔形成肖特节,而肖特节会存在0.35V的压降,刚好与PN节的0.75V抵消,无法测量到电压。

3、PN节正偏

当使用电压源给二极管供电,如下图所示:

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外界电源所产生的电场刚好与PN节内部的电场反向,最终使得势垒区范围缩小,与外界电压满足KVL不变,从而导致PN节内部的漂移电流降低。导致N区的电子或者P区的空穴不断地向对方扩散,那么扩散到对方的空穴或者电子不能够再扩大势垒区,而是经过电源进行了电荷的交换,使得PN节的电子或者空穴浓度保持不变。

PN节的电子或者空穴浓度没有发生改变,那么扩散电流就不会发生变化,可以达到很大的扩散电流并一直维持,同时在扩散区的载流子浓度都会增加。

当在PN节两端加多大的正向电压,势垒区就会减少多少,最终外部电源抵消势垒区电压便可以产生较大电流,所以需要在二极管正向加一定的电压才能够导通,导通以后的压降很低,阻抗也比较小。

外部不加电压的情况下,会存在一定的时间来形成势垒区,一般的二极管的在1ms左右,快速地在us级别。

二极管正向导通存在电导调制效应,电流越大,电导越大,因为电流越大,扩散区的载流子浓度越高,也就可以降低二极管的压降。

4、PN节反偏

PN节反偏就是让PN节中的势垒区变更宽,如下图所示:

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在反偏的状态下,其扩散电流是不会发生变化的,在外部电源的加持下,使得外部电场与内部电场叠加形成的漂移电流会大于扩散电流,但是虽然电场强度增强,而电流的增加需要有较多的载流子,N区没有足够的电子,电源也无法提供电子,所以其反向电流非常小,一般为uA级别。

当然也可以通过分析PN节中各载流子浓度进行分析,其扩散区的载流子浓度都会降低。

对于正偏和反偏都是存在电流的,只是电流的大小不同,所以都是处于不平衡状态,仅仅只有零偏的时候二极管才处于平衡状态,每个地方的电子*空穴浓度才大约为10^20次方,而反偏中间载流子乘积小于10^20次方,处于正偏中间载流子乘积大于10^20次方。

5、击穿

当在二极管上加一定的反向电压,其P区的空穴浓度很低,N区的电子浓度也很低,其仅仅只会有uA级别的电流存在,前面对于二极管的反偏机制就已经说明了其不可能形成大的反向电流,当反向电压足够就会导致击穿。

击穿也分为雪崩击穿、齐纳击穿和热击穿

其中雪崩击穿是外部电场给电子足够的动能,从而通过电子的之间的碰撞使得更多价带的电子脱离价带进入导带,产生更多的电子和空穴,这样载流子浓度增加,最终产生较大的电流。

齐纳击穿,当势垒区比较薄,电子在强电场作用下会存在直接通过的情况。

热击穿,温度太高,使得电子动能增加,最终载流子浓度增加,一般Si半导体器件不能超过150度。

6、动态特性

二极管在正反切换过程会产生一定的动态效应,如电容效应。当二极管两端加反向电压的时候势垒区会变宽,其中的电荷也就越多,C=dQ/dV,从而呈现出电容的效应,也叫势垒电容。

不仅仅势垒区电荷会随着电压的变化而变化,还有扩散区也会呈现出该特性。

但是二极管的电容效应主要是正偏时候的电容效应大,且主要是扩散电容,而反向相对比较小,主要是势垒电容。

电容效应会影响二极管的工作频率,尤其是高速的开关状态,会使得高频信号直通,如下图所示:

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二极管的原理和特点就先讲到这里,更加详细的特点可以参考半导体导电材料学等知识。
责任编辑人:CC

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( 发表人:陈翠 )

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