功率二极管器件介绍

时间： 2023-10-18 来源：龙夏电子

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1、功率半导体器件

功率半导体器件就是能进行功率处理的半导体器件，早期的功率半导体器件，如大功率二极管、晶闸管（Thyristor, 也可称为可控硅——SCR）等主要应用于工业和电力系统，因此在国内又称为电力电子器件。典型的功率处理功能包括：变频、变压、变流、功率放大、功率管理等。二十世纪八十年代之前的功率半导体器件主要是功率二极管、晶闸管和功率双极晶体管。除功率双极晶体管中部分功率不大的晶体管可工作至微波波段外，其余的功率半导体器件都是低频器件，一般工作在几十至几百赫兹，少数可达几千赫兹。由于功率电路在更高频率下工作时具有高效、节能、减小设备体积与重量，节约原材料等优点，所以在二十世纪八十年代发生了“20kHz革命”，即功率半导体电路中的工作频率提高到20kHz以上。这时传统的功率半导体器件如晶闸管和GTR（巨型晶体管）等因速度慢、功耗大而不再适用，以VDMOS和IGBT为代表的新一代功率半导体器件因此应运而生。新一代功率半导体器件除具有高频（相对于传统功率器件而言）工作的特点外还都是电压控制器件，因而使驱动电路简单，逐渐成为功率半导体器件的主流和发展方向，在国际上被称为现代功率半导体器件。

2、功率整流管

当电源的工作电压相对较小（<100V）时，硅单极型器件具有较好的性能。当电路工作电压相对较大（> 100V）时，硅双极型器件具有更好的特性。宽禁带半导体功率器件（例如碳化硅）能将单极型器件的工作电压扩大到5000V以上。在现代电源电路中，通常使用功率晶体管作为开关来调节流向负载的功率流，同时使用功率整流器来控制电流的方向。随着高性能功率开关的出现（功率MOSFET和IGBT），功率二极管的性能成为限制功率电路的主要因素。传统的单极型功率二极管为肖特基结构，传统的双极型功率二极管为pin结构。为了与高性能功率开关器件相匹配，新型功率二极管的结构不断涌现，下面分别进行介绍。

3、单极型功率二极管

单极型功率二极管为肖特基整流二极管，利用金属—半导体势垒实现整流。功率肖特基二极管的结构还包含漂移区，如图1所示。由于漂移区的电阻随着反向电压的增加而迅速增加，所以商用的硅肖特基二极管的阻断电压一般在100V以下。对于实际应用而言，当超过该值时，硅肖特基二极管的通态压降变大。对于硅pin二极管，尽管其开关速度较慢但其通态压降低，可以用来设计具有较大击穿电压的器件。

硅肖特基二极管遇到的基本问题之一是：虽然通态压降可以设计得较小（对于耐压较低的肖特基二极管），但反向漏电流较大。这与肖特基势垒降低效应和击穿前雪崩倍增现象有关，当反向电压从零增加到工作电压时，漏电流增加一个数量级。

减小功率肖特基二极管漏电流的一种方法是通过加入如图2所示的P-N结。这种结构被称为结势垒控制肖特基二极管（JBS），已经有效地用于提高低压硅器件和高压碳化硅器件的性能。

另一种屏蔽阳极肖特基接触高电场的方法是使另一个肖特基接触具有较大势垒高度。将具有较大势垒高度的肖特基接触放置在沟槽内可以增强屏蔽效果，如图3所示。因此，这种结构也被称为沟槽肖特基势垒控制肖特基整流器（TSBS）。尽管这种结构首先提出来是用于改善硅器件的，但由于宽带隙半导体具有较大的势垒高度，所以这种结构更适用于碳化硅器件。

原则上，还可以通过加入MOS结构来屏蔽阳极肖特基接触，如图4所示。在沟槽内形成MOS结构能够提高屏蔽效果。这种方法对于具有成熟MOS技术的硅器件是可行的。但在碳化硅结构中，这种方法是不可取的，因为在氧化物中所产生非常高的电场会导致器件失效。在硅器件中，这个想法已经与电荷耦合现象结合，以此来减小漂移区的电阻。

4、双极型功率二极管

当阻断电压超过100V时，硅单极型肖特基二极管漂移区的电阻变得非常大。相比之下，硅双极型器件更具有优势。因为在通态，注入漂移区的载流子能够产生电导调制效应。在过去50年中，业界广泛使用的pin整流器结构如图5所示。在通态，PN结正偏，注入的少子浓度远远超过漂移区的掺杂浓度。为了满足电中性条件，漂移区中会产生等浓度的多数载流子。因此即使承担高反向阻断电压，典型硅pin整流器的通态压降也仅为1—2V。已经开发了阻断电压高达10kV的商用器件。

pin整流器的主要缺点是反向恢复电流大，开关速度慢。这个瞬态过程在整流器和功率开关中产生大的功耗，瞬态过程发生的频率由开关器件控制。减少反向恢复电流的一种方法是通过使用深能级杂质来减小载流子寿命。另一种方法是将肖特基接触和P-N结相结合，如图6所示的MPS二极管。虽然这种结构在外观上与JBS整流器结构相同，但在高压下它以双极型模式工作。这种结构不是肖特基二极管和pin整流器的简单组合，而是通过结合肖特基二极管和pin二极管中的电流流动情况，实现两个结构的最佳属性。

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