二極管，肖特基二極管,快恢復二極管知識詳解-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2021-01-28
二極管是用半導體材料(硅、硒、鍺等)制成的一種電子器件。它具有單向導電性能， 即給二極管陽(yáng)極和陰極加上正向電壓時(shí)，二極管導通。 當給陽(yáng)極和陰極加上反向電壓時(shí)，二極管截止。 因此，二極管的導通和截止，則相當于開(kāi)關(guān)的接通與斷開(kāi)。
二極管是最早誕生的半導體器件之一，其應用非常廣泛。特別是在各種電子電路中，利用二極管和電阻、電容、電感等元器件進(jìn)行合理的連接，構成不同功能的電路，可以實(shí)現對交流電整流、對調制信號檢波、限幅和鉗位以及對電源電壓的穩壓等多種功能。無(wú)論是在常見(jiàn)的收音機電路還是在其他的家用電器產(chǎn)品或工業(yè)控制電路中，都可以找到二極管的蹤跡。
二極管就是由一個(gè)PN結加上相應的電極引線(xiàn)及管殼封裝而成的。
采用不同的摻雜工藝，通過(guò)擴散作用，將P型半導體與N型半導體制作在同一塊半導體（通常是硅或鍺）基片上，在它們的交界面就形成空間電荷區稱(chēng)為PN結。
由P區引出的電極稱(chēng)為陽(yáng)極，N區引出的電極稱(chēng)為陰極。因為PN結的單向導電性，二極管導通時(shí)電流方向是由陽(yáng)極通過(guò)管子內部流向陰極。
二極管的電路符號如圖1所示。二極管有兩個(gè)電極，由P區引出的電極是正極，又叫陽(yáng)極；由N區引出的電極是負極，又叫陰極。三角箭頭方向表示正向電流的方向，二極管的文字符號用VD表示。
二極管的主要原理就是利用PN結的單向導電性，在PN結上加上引線(xiàn)和封裝就成了一個(gè)二極管。
晶體二極管為一個(gè)由P型半導體和N型半導體形成的PN結，在其界面處兩側形成空間電荷層，并建有自建電場(chǎng)。當不存在外加電壓時(shí)，由于PN結兩邊載流子濃度差引起的擴散電流和自建電場(chǎng)引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態(tài)。
當外界有正向電壓偏置時(shí)，外界電場(chǎng)和自建電場(chǎng)的互相抑消作用使載流子的擴散電流增加引起了正向電流。當外界有反向電壓偏置時(shí)，外界電場(chǎng)和自建電場(chǎng)進(jìn)一步加強，形成在一定反向電壓范圍內與反向偏置電壓值無(wú)關(guān)的反向飽和電流。
當外加的反向電壓高到一定程度時(shí)，PN結空間電荷層中的電場(chǎng)強度達到臨界值產(chǎn)生載流子的倍增過(guò)程，產(chǎn)生大量電子空穴對，產(chǎn)生了數值很大的反向擊穿電流，稱(chēng)為二極管的擊穿現象。PN結的反向擊穿有齊納擊穿和雪崩擊穿之分。
肖特基二極管是以其發(fā)明人肖特基博士（Schottky）命名的，SBD是肖特基勢壘二極管的簡(jiǎn)稱(chēng)。
SBD不是利用P型半導體與N型半導體接觸形成PN結原理制作的，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(chēng)為金屬－半導體（接觸）二極管或表面勢壘二極管，它是一種熱載流子二極管。
肖特基二極管是貴金屬（金、銀、鋁、鉑等）A為正極，以N型半導體B為負極，利用二者接觸面上形成的勢壘具有整流特性而制成的金屬-半導體器件。
因為N型半導體中存在著(zhù)大量的電子，貴金屬中僅有極少量的自由電子，所以電子便從濃度高的B中向濃度低的A中擴散。顯然，金屬A中沒(méi)有空穴，也就不存在空穴自A向B的擴散運動(dòng)。隨著(zhù)電子不斷從B擴散到A，B表面電子濃度逐漸降低，表面電中性被破壞，于是就形成勢壘，其電場(chǎng)方向為B→A。
但在該電場(chǎng)作用之下，A中的電子也會(huì )產(chǎn)生從A→B的漂移運動(dòng)，從而消弱了由于擴散運動(dòng)而形成的電場(chǎng)。當建立起一定寬度的空間電荷區后，電場(chǎng)引起的電子漂移運動(dòng)和濃度不同引起的電子擴散運動(dòng)達到相對的平衡，便形成了肖特基勢壘。
典型的肖特基整流管的內部電路結構是以N型半導體為基片，在上面形成用砷作摻雜劑的N-外延層。陽(yáng)極使用鉬或鋁等材料制成阻檔層。
用二氧化硅（SiO2）來(lái)消除邊緣區域的電場(chǎng)，提高管子的耐壓值。N型基片具有很小的通態(tài)電阻，其摻雜濃度較H-層要高100%倍。在基片下邊形成N+陰極層，其作用是減小陰極的接觸電阻。通過(guò)調整結構參數，N型基片和陽(yáng)極金屬之間便形成肖特基勢壘，如圖所示。
當在肖特基勢壘兩端加上正向偏壓（陽(yáng)極金屬接電源正極，N型基片接電源負極）時(shí)，肖特基勢壘層變窄，其內阻變小；反之，若在肖特基勢壘兩端加上反向偏壓時(shí)，肖特基勢壘層則變寬，其內阻變大。
綜上所述，肖特基整流管的結構原理與PN結整流管有很大的區別通常將PN結整流管稱(chēng)作結整流管，而把金屬-半導管整流管叫作肖特基整流管，采用硅平面工藝制造的鋁硅肖特基二極管也已問(wèn)世，這不僅可節省貴金屬，大幅度降低成本，還改善了參數的一致性。
快恢復二極管（簡(jiǎn)稱(chēng)FRD）是一種具有開(kāi)關(guān)特性好、反向恢復時(shí)間短特點(diǎn)的半導體二極管，主要應用于開(kāi)關(guān)電源、PWM脈寬調制器、變頻器等電子電路中，作為高頻整流二極管、續流二極管或阻尼二極管使用。
快恢復二極管的內部結構與普通PN結二極管不同，它屬于PIN結型二極管，即在P型硅材料與N型硅材料中間增加了基區I，構成PIN硅片。因基區很薄，反向恢復電荷很小，所以快恢復二極管的反向恢復時(shí)間較短，正向壓降較低，反向擊穿電壓（耐壓值）較高。
采用TO–220或TO–3P封裝的大功率快恢復二極管，有單管和雙管之分。雙管的管腳引出方式又分為共陽(yáng)和共陰。
應用拓撲結構：
快恢復二極管從名稱(chēng)上很好理解，肖特基二極管是以人名命名，由于制造工藝完全不同，是肖特基博士的一個(gè)創(chuàng )新。
肖特基二極管是以其發(fā)明人肖特基博士（Schottky）命名的，SBD是肖特基勢壘二極管（SchottkyBarrierDiode,縮寫(xiě)成SBD）的簡(jiǎn)稱(chēng)。
SBD不是利用P型半導體與N型半導體接觸形成PN結原理制作的，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(chēng)為金屬－半導體（接觸）二極管或表面勢壘二極管，它是一種熱載流子二極管。
肖特基二極管和快恢復二極管在物理結構上是不一樣的。肖特基二極管的陽(yáng)極是金屬，陰極是N型半導體；快恢復二極管基本結構仍然是普通的PIN二極管，即陰陽(yáng)極分別為N和P型半導體。物理結構決定了兩者的電特性。
1.肖特基二極管耐壓較低，通常在200V以下，同等耐壓，相同電流下，肖特基二極管的正向壓降低于快恢復二極管。
2. 肖特基二極管載流子只有電子，理論上沒(méi)有反向恢復時(shí)間，而快恢復二極管本質(zhì)上和PIN二極管一樣，是少子器件的反向恢復時(shí)間通常在幾十到幾百ns。
3. 額定反向耐壓下，快恢復二極管的反向漏電流較小，通常在幾u(yù)A到幾十uA；肖特基二極管的反向漏電流則通常達到幾百u(mài)A到幾十mA，且隨溫度升高急劇增大。
反向恢復時(shí)間基本的定義是：二極管從導通狀態(tài)轉換成關(guān)斷狀態(tài)所需的時(shí)間。
從定義可以看出，二極管導通狀態(tài)下突然施加一個(gè)反偏電壓，它不能馬上截止需要一個(gè)過(guò)度時(shí)間，也就是反向恢復時(shí)間。
通常在開(kāi)關(guān)電源連續模式反向恢復過(guò)程中，二極管流過(guò)較大的反向電流同時(shí)承受了較大的反向電壓，因此造成了很大的反向恢復損耗，所以一般選反向恢復時(shí)間越短的越好，在電壓應力較低的情況下肖特基是首選。
在CCM PFC中，為了降低這個(gè)損耗，通常的超快恢復二極管（標稱(chēng)反向恢復時(shí)間十幾到幾十ns）仍然差強人意，需要用到SiC二極管。常用的SiC二極管通常是肖特基結構，反向恢復時(shí)間遠低于PIN二極管。
產(chǎn)生反向恢復過(guò)程的原因——電荷存儲效應
產(chǎn)生上述現象的原因是由于二極管外加正向電壓VF時(shí)，載流子不斷擴散而存儲的結果。當外加正向電壓時(shí)Ｐ區空穴向Ｎ區擴散，Ｎ區電子向Ｐ區擴散，這樣，不僅使勢壘區（耗盡區）變窄，而且使載流子有相當數量的存儲，在Ｐ區內存儲了電子，而在Ｎ區內存儲了空穴 ，它們都是非平衡少數載流于，如下圖所示。
空穴由Ｐ區擴散到Ｎ區后，并不是立即與Ｎ區中的電子復合而消失，而是在一定的路程LP（擴散長(cháng)度）內，一方面繼續擴散，一方面與電子復合消失，這樣就會(huì )在LP范圍內存儲一定數量的空穴，并建立起一定空穴濃度分布，靠近結邊緣的濃度最大，離結越遠，濃度越小 。正向電流越大，存儲的空穴數目越多，濃度分布的梯度也越大。電子擴散到Ｐ區的情況也類(lèi)似，下圖為二極管中存儲電荷的分布。
我們把正向導通時(shí)，非平衡少數載流子積累的現象叫做電荷存儲效應。當輸入電壓突然由+VF變?yōu)?VR時(shí)Ｐ區存儲的電子和Ｎ區存儲的空穴不會(huì )馬上消失，但它們將通過(guò)下列兩個(gè)途徑逐漸減少：
① 在反向電場(chǎng)作用下，Ｐ區電子被拉回Ｎ區，Ｎ區空穴被拉回Ｐ區，形成反向漂移電流IR，如下圖所示；
②與多數載流子復合。
在這些存儲電荷消失之前，ＰＮ結仍處于正向偏置，即勢壘區仍然很窄，ＰＮ結的電阻仍很小，與RL相比可以忽略，所以此時(shí)反向電流IR=（VR＋VD）/RL。
VD表示ＰＮ結兩端的正向壓降，一般 VR>>VD，即 IR＝VR／RL。在這段期間，IR基本上保持不變，主要由VR和RL所決定。經(jīng)過(guò)時(shí)間ts后Ｐ區和Ｎ區所存儲的電荷已顯著(zhù)減小，勢壘區逐漸變寬，反向電流IR逐漸減小到正常反向飽和電流的數值，經(jīng)過(guò)時(shí)間tt，二極管轉為截止。
由上可知，二極管在開(kāi)關(guān)轉換過(guò)程中出現的反向恢復過(guò)程，實(shí)質(zhì)上由于電荷存儲效應引起的，反向恢復時(shí)間就是存儲電荷消失所需要的時(shí)間。
二極管和一般開(kāi)關(guān)的不同在于,“開(kāi)”與“關(guān)”由所加電壓的極性決定, 而且“開(kāi)”態(tài)有微小的壓降V f,“關(guān)”態(tài)有微小的電流i0。當電壓由正向變?yōu)榉聪驎r(shí), 電流并不立刻成為(- i0) , 而是在一段時(shí)間ts內, 反向電流始終很大, 二極管并不關(guān)斷。
經(jīng)過(guò)ts后, 反向電流才逐漸變小, 再經(jīng)過(guò)tf時(shí)間, 二極管的電流才成為(- i0) , ts稱(chēng)為儲存時(shí)間, tf稱(chēng)為下降時(shí)間。tr= ts+ tf稱(chēng)為反向恢復時(shí)間, 以上過(guò)程稱(chēng)為反向恢復過(guò)程。
這實(shí)際上是由電荷存儲效應引起的, 反向恢復時(shí)間就是存儲電荷耗盡所需要的時(shí)間。該過(guò)程使二極管不能在快速連續脈沖下當做開(kāi)關(guān)使用。如果反向脈沖的持續時(shí)間比tr短, 則二極管在正、反向都可導通, 起不到開(kāi)關(guān)作用。
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