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?qū)щ娦阅埽?即給二極管陽極和陰極加上正向電壓時，二極管導通。 當給陽極和陰極加上反向電壓時，二極管截止。 因此，二極管的導通和截止，則相當于開關(guān)的接通與斷開。
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、電感等元器件進行合理的連接，構(gòu)成不同功能的電路，可以實現(xiàn)對交流電整流、對調(diào)制信號檢波、限幅和鉗位以及對電源電壓的穩(wěn)壓等多種功能。無論是在常見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PN結(jié)加上相應的電極引線及管殼封裝而成的。
采用不同的摻雜工藝，通過擴散作用，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(qū)稱為PN結(jié)。
由P區(qū)引出的電極稱為陽極，N區(qū)引出的電極稱為陰極。因為PN結(jié)的單向?qū)щ娦?，二極管導通時電流方向是由陽極通過管子內(nèi)部流向陰極。
二極管的電路符號如圖1所示。二極管有兩個電極，由P區(qū)引出的電極是正極，又叫陽極；由N區(qū)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(jié)的單向?qū)щ娦?，在PN結(jié)上加上引線和封裝就成了一個二極管。
晶體二極管為一個由P型半導體和N型半導體形成的PN結(jié)，在其界面處兩側(cè)形成空間電荷層，并建有自建電場。當不存在外加電壓時，由于PN結(jié)兩邊載流子濃度差引起的擴散電流和自建電場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，外界電場和自建電場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，外界電場和自建電場進一步加強，形成在一定反向電壓范圍內(nèi)與反向偏置電壓值無關(guān)的反向飽和電流。
當外加的反向電壓高到一定程度時，PN結(jié)空間電荷層中的電場強度達到臨界值產(chǎn)生載流子的倍增過程，產(chǎn)生大量電子空穴對，產(chǎn)生了數(shù)值很大的反向擊穿電流，稱為二極管的擊穿現(xiàn)象。PN結(jié)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稱。
SBD不是利用P型半導體與N型半導體接觸形成PN結(jié)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(jié)原理制作的。因此，SBD也稱為金屬－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中沒有空穴，也就不存在空穴自A向B的擴散運動。隨著電子不斷從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，其電場方向為B→A。
但在該電場作用之下，A中的電子也會產(chǎn)生從A→B的漂移運動，從而消弱了由于擴散運動而形成的電場。當建立起一定寬度的空間電荷區(qū)后，電場引起的電子漂移運動和濃度不同引起的電子擴散運動達到相對的平衡，便形成了肖特基勢壘。
典型的肖特基整流管的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)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。陽極使用鉬或鋁等材料制成阻檔層。
用二氧化硅（SiO2）來消除邊緣區(qū)域的電場，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。通過調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)，N型基片和陽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（陽極金屬接電源正極，N型基片接電源負極）時，肖特基勢壘層變窄，其內(nèi)阻變??；反之，若在肖特基勢壘兩端加上反向偏壓時，肖特基勢壘層則變寬，其內(nèi)阻變大。
綜上所述，肖特基整流管的結(jié)構(gòu)原理與PN結(jié)整流管有很大的區(qū)別通常將PN結(jié)整流管稱作結(jié)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世，這不僅可節(jié)省貴金屬，大幅度降低成本，還改善了參數(shù)的一致性。
快恢復二極管（簡稱FRD）是一種具有開關(guān)特性好、反向恢復時間短特點的半導體二極管，主要應用于開關(guān)電源、PWM脈寬調(diào)制器、變頻器等電子電路中，作為高頻整流二極管、續(xù)流二極管或阻尼二極管使用。
快恢復二極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與普通PN結(jié)二極管不同，它屬于PIN結(jié)型二極管，即在P型硅材料與N型硅材料中間增加了基區(qū)I，構(gòu)成PIN硅片。因基區(qū)很薄，反向恢復電荷很小，所以快恢復二極管的反向恢復時間較短，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和共陰。
應用拓撲結(jié)構(gòu)：
快恢復二極管從名稱上很好理解，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,縮寫成SBD）的簡稱。
SBD不是利用P型半導體與N型半導體接觸形成PN結(jié)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(jié)原理制作的。因此，SBD也稱為金屬－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(jié)構(gòu)上是不一樣的。肖特基二極管的陽極是金屬，陰極是N型半導體；快恢復二極管基本結(jié)構(gòu)仍然是普通的PIN二極管，即陰陽極分別為N和P型半導體。物理結(jié)構(gòu)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，理論上沒有反向恢復時間，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uA到幾十uA；肖特基二極管的反向漏電流則通常達到幾百uA到幾十mA，且隨溫度升高急劇增大。
反向恢復時間基本的定義是：二極管從導通狀態(tài)轉(zhuǎn)換成關(guān)斷狀態(tài)所需的時間。
從定義可以看出，二極管導通狀態(tài)下突然施加一個反偏電壓，它不能馬上截止需要一個過度時間，也就是反向恢復時間。
通常在開關(guān)電源連續(xù)模式反向恢復過程中，二極管流過較大的反向電流同時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，為了降低這個損耗，通常的超快恢復二極管（標稱反向恢復時間十幾到幾十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(jié)構(gòu)，反向恢復時間遠低于PIN二極管。
產(chǎn)生反向恢復過程的原因——電荷存儲效應
產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是由于二極管外加正向電壓VF時，載流子不斷擴散而存儲的結(jié)果。當外加正向電壓時Ｐ區(qū)空穴向Ｎ區(qū)擴散，Ｎ區(qū)電子向Ｐ區(qū)擴散，這樣，不僅使勢壘區(qū)（耗盡區(qū)）變窄，而且使載流子有相當數(shù)量的存儲，在Ｐ區(qū)內(nèi)存儲了電子，而在Ｎ區(qū)內(nèi)存儲了空穴 ，它們都是非平衡少數(shù)載流于，如下圖所示。
空穴由Ｐ區(qū)擴散到Ｎ區(qū)后，并不是立即與Ｎ區(qū)中的電子復合而消失，而是在一定的路程LP（擴散長度）內(nèi)，一方面繼續(xù)擴散，一方面與電子復合消失，這樣就會在LP范圍內(nèi)存儲一定數(shù)量的空穴，并建立起一定空穴濃度分布，靠近結(jié)邊緣的濃度最大，離結(jié)越遠，濃度越小 。正向電流越大，存儲的空穴數(shù)目越多，濃度分布的梯度也越大。電子擴散到Ｐ區(qū)的情況也類似，下圖為二極管中存儲電荷的分布。
我們把正向?qū)〞r，非平衡少數(shù)載流子積累的現(xiàn)象叫做電荷存儲效應。當輸入電壓突然由+VF變?yōu)?VR時Ｐ區(qū)存儲的電子和Ｎ區(qū)存儲的空穴不會馬上消失，但它們將通過下列兩個途徑逐漸減少：
① 在反向電場作用下，Ｐ區(qū)電子被拉回Ｎ區(qū)，Ｎ區(qū)空穴被拉回Ｐ區(qū)，形成反向漂移電流IR，如下圖所示；
②與多數(shù)載流子復合。
在這些存儲電荷消失之前，ＰＮ結(jié)仍處于正向偏置，即勢壘區(qū)仍然很窄，ＰＮ結(jié)的電阻仍很小，與RL相比可以忽略，所以此時反向電流IR=（VR＋VD）/RL。
VD表示ＰＮ結(jié)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)過時間ts后Ｐ區(qū)和Ｎ區(qū)所存儲的電荷已顯著減小，勢壘區(qū)逐漸變寬，反向電流IR逐漸減小到正常反向飽和電流的數(shù)值，經(jīng)過時間tt，二極管轉(zhuǎn)為截止。
由上可知，二極管在開關(guān)轉(zhuǎn)換過程中出現(xiàn)的反向恢復過程，實質(zhì)上由于電荷存儲效應引起的，反向恢復時間就是存儲電荷消失所需要的時間。
二極管和一般開關(guān)的不同在于,“開”與“關(guān)”由所加電壓的極性決定, 而且“開”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, 電流并不立刻成為(- i0) , 而是在一段時間ts內(nèi), 反向電流始終很大, 二極管并不關(guān)斷。
經(jīng)過ts后, 反向電流才逐漸變小, 再經(jīng)過tf時間, 二極管的電流才成為(- i0) , ts稱為儲存時間, tf稱為下降時間。tr= ts+ tf稱為反向恢復時間, 以上過程稱為反向恢復過程。
這實際上是由電荷存儲效應引起的, 反向恢復時間就是存儲電荷耗盡所需要的時間。該過程使二極管不能在快速連續(xù)脈沖下當做開關(guān)使用。如果反向脈沖的持續(xù)時間比tr短, 則二極管在正、反向都可導通, 起不到開關(guān)作用。
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