简单认识功率二极管

功率二极管（Power Diode）是一种分立式电力半导体器件，它的电压和电流应用范围远大于一般的小信号二极管，可用于整流、钳位、瞬态电压抑制、续游、吸收、调制、 转换等。功率二极管分为 PiN (P-intrinsic-N) 二极管和单极型肖特基二极管 (Schottky Barrier Diode, SBD）两大类型。

1.PiN 二极管

PiN二极管是用电流控制的少子（Minority Carriers)器件，输入的阻抗较低，驱动功率较大，在导通时 pn 结附近有少子存储，致使器件的开关速度较慢。硅基 PiN 二极管的工作频率通常小于1kHz。PiN 二极管的结构及载流子浓度图如图 2-59 所示，在重掺杂的p⁺层及n⁺层之间增加一个具有特定厚度的低摻杂n型漂移区（或p型漂移区）作为耐压层。对PiN 二极管施加正向偏置电压时，大量少子注入漂移区会产生电导调制效应而使通态电阻和电压降低，故能大幅降低通态功耗。在反向偏置时，p⁺n结的空间电荷区主要向低掺杂的n型漂移区延伸，反向阻断电压则由n型漂移区 的耗尽区来承受，使得 PiN二极管能够承受极高的阻断电压，且有很小的泄漏电流。通常最大的反向工作电压为雪崩击穿电压的 2/3 倍。正向偏置时，p⁺区向n型漂移区注入大量的空穴，同时n⁺区也向n型漂移区注入大量的电子，由于注入的非平衡少子浓度远高于n型漂移区的原掺杂浓度，故使n型漂移区的电阻率下降，导致通态电阻降低以及通态电流增大，这就产生了电导调制效应。此时，大的通态电流不受n型漂移区低掺杂及厚度的限制。

减少 PiN 二极管漂移区的厚度可形成穿通型结构，较薄的漂移区可使通态的存储电荷降低而提高关断速度。采用扩散金、扩散铂、质子辐照或电子辐照的方式可以在硅禁带中引进深能级（Deep Levels）的复合中心，使少子的寿命降低而缩短反向恢复时间，故能提升关断速度。宽禁带碳化硅 PiN 二极管不仅具有更高的临界击穿电压，而且其内较薄的漂移区结构可降低反向恢复电流并提高关断速度，因此在大电流及高于 10kV 领域有很大的应用空间。

2.单极型肖特基二极管

由金属与硅半导体之间形成的肖特基 ( Schottky）接触势垒可产生整流作用，但这种势垒高度比 pn结的势垒高度要低，因此，一般小信号肖特基二极管的正向压降及击穿电压较低，而反向泄漏电流则偏大。如图2-60 所示，在肖特基二极管中增加一个低掺杂浓度的n⁻漂移区 就形成了一种由肖特基结、n⁻ 漂移区和n⁺阴极区组成的功率肖特基二极管结构。通态压降由金属半导体界面压降、n⁻漂移区的电阻及衬底端的欧姆压降决定。由于单极型肖特基二极管是多子(Majority Carriers）器件，没有载流子存储及电导调制效应，具有快速的开关特性和较低的通态压降，故在高频下工作的功耗较低。在反向偏置时，耐压特性由空间电荷区向n⁻漂移区扩展的宽度决定。理论上，最大的电场强度出现在金属-半导体接触处，当该处电场强度等于半导体的临界电场强度时即产生击穿。但实际上，反向阻断的击穿电压会受限于金属电极的边缘击穿，故采用边缘终端技术（Edge Termination Technology）可提高功率肖特基二极管的击穿电压。通常硅基肖特基二极管的击穿电压小于 200V，故硅基肖特基器件适用于高频领域，而不适用于大电流大电压领域。宽禁带 SiC 肖特基二极管 (SiC-SBD）的击穿电压已超过 3kV，可适用于较高的功率水平领域，与硅基 IGBT 组成的 Si-IGBT+SiC-SBD 模块单元能大幅降低功耗。

功率肖特基二极管的泄漏电流包含由耗尽区内空间电荷产生的电流、由中性区内载流子产生的扩散电流，以及在金属-半导体接触处产生的热电子发射电流。其中热电子发射电流由温度及肖特基接触势垒主导。由于肖特基接触势垒高度相对较小，故泄漏电流以热电子发射电流为主，选用相对较大的肖特基接触势垒可以降低泄漏电流，减少阻断状态下的功耗，同时可以避免热奔 (Thermal Runaway）过程而使功率肖特基二极管在较高的环境温度下工作。

功率二极管是第一代功率半导体器件，它既可以独立地运用，也可以为所有功率半导体器件做续流及吸收。现代功率半导体器件如 IGBT，至少需要一两个功率二极管为之续流及吸收。

审核编辑：汤梓红