【正文】 00～ 2020V范圍。 根據(jù)器件容量的不同，功率二極管的管芯結(jié)構(gòu)主要采用 P+— N— N+結(jié)構(gòu)和 P+— P— N—N+結(jié)構(gòu)。 對(duì)于 P+— N— N+結(jié)構(gòu)， 中 間層為輕摻雜區(qū) (常稱 為基 區(qū) )，當(dāng)摻雜濃度很 低時(shí) ，可近似 看 作本征半導(dǎo)體， P+— N— N+結(jié)構(gòu)便可近似為 P— I— N 結(jié)構(gòu)。此種結(jié)構(gòu)能承 受 高的反問(wèn) 電壓，且 具 有良好的正向特性。高壓功率二極管一般都采用此種結(jié)構(gòu)。 對(duì)于 P+— P— N— N+結(jié)構(gòu)，不僅能提高注入，增強(qiáng)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)， 使 器件具有較理想的 正向特性；同時(shí)在反向又能耐高電壓，所以這是 — 種較 理 想 的大電流向電壓整流管結(jié)構(gòu)。 利用 P— N結(jié)的整流特性，可以把反復(fù)變換方向的交流電變成單方向流動(dòng)的電流，所以 在許多電子儀器設(shè)備和電力 電 子裝置中都大 量 使用各種類型的功率二極管。在實(shí)際工作中，通常利用示波器來(lái)直接顯示二極管的伏女特性。一個(gè)性能優(yōu)良的功率二極管，應(yīng)該 是 正向電流盡量大，特性曲線盡量靠近縱坐標(biāo)， 使 正向 壓 降為 最 小；反向特性應(yīng)是漏電流要小，反向擊穿電壓向， 而且 特性曲線直， 具有所謂的 硬特性。 后面 將困繞這些要求進(jìn)行討論。 PN 結(jié)二極管 盡管功率二極管的結(jié)構(gòu)有所不同，但整流特性仍然主要由 PN 結(jié)特性所確定。為此，本節(jié)扼要闡述 PN 結(jié)的整流特性，作為分析 PN 結(jié)器件的基礎(chǔ)。 整流方程 1. 小注入下的 整流 方程 對(duì)于 P+N 突變結(jié)，當(dāng) N 區(qū)處于小注入狀態(tài)時(shí)，按照連續(xù)原理，可得 PN結(jié)的電流－電壓方程為 ???????? ????????? ?? 122 kTqVAninDpip eNL nqDNL nqDJ (21) 當(dāng)外加電壓為正向電壓 VF時(shí)，且 VF＞＞ kT/q 時(shí)， (21)式可以寫(xiě)為 kTqVAninDpipF FeNL nqDNL nqDJ ???????? ?? 22 (22) 17 當(dāng)外加 電壓為反向電壓 VR 時(shí)，且qkTVR＞＞時(shí)， (21)式變?yōu)? ???????? ???AninDpipDR NL nqDNL nqDJ 22 (23) (21)式為 PN 結(jié)的反向電流，又稱為反向擴(kuò)散電流，流過(guò) PN 結(jié)的反向電流不僅有反向擴(kuò)散電流，還存在 PN 結(jié)產(chǎn)生電流，產(chǎn)生電流可以表示為 ?2imG nqxJ ?? (24) 因此 PN 結(jié)的反向電流為 GDRR JJJ ?? (25) 2. 大注入下的伏安特性 對(duì)于 P+N 結(jié)，當(dāng)正向電壓增高，注入增大后，注入到 N 區(qū)的非平衡載流子等于甚至大于該區(qū)的平衡載流子濃度，達(dá)到大注入水平。對(duì)于功率二極管（包括其它電力器件）在穩(wěn)定工作條件子下，其電流密度可以達(dá)到 30~100A/cm2，甚至更高。 在這樣高的正向電流密度下，對(duì)反向耐壓較高的器件（ N 區(qū)的摻雜濃度較低）來(lái)說(shuō)，完全處于大注入狀態(tài)下工作。 大注入下，載流子之間的散射變得顯著，并導(dǎo)致遷移率下降。 遷移率和擴(kuò)散系數(shù)隨載流子濃度增加而下降，使得在大注入時(shí)功率二極管、晶閘管的正向壓降增大。大注入條件下的自建電場(chǎng)，將使 PN 結(jié)的伏安特性發(fā)生變化 ，其表達(dá)式為 kTqVpipFH FeL nDqJ 22? (26) 大注入不但使擴(kuò)散系數(shù)加倍，而且使電流隨電壓的上升變慢，由小注入的 kTqVFe 關(guān)系變?yōu)閗TqVFe 2 關(guān)系。 PIN 二極管 PIN 二極管是由 P 型和 N 型材料之間夾一本征層而構(gòu) 成的結(jié)型二極管。在低頻時(shí)，它具有與 P— N 結(jié)相似的伏安特性，不僅能承受很高的反向電壓，而且具有小的正向電壓降。理想的 PIN 二極 管 I 層材料應(yīng)是本征型的，但是很難做到。實(shí)際的 I層可近似認(rèn)為低摻雜的高阻層。因此，功率二極管都做成重?fù)诫s的 P+、 N+層之間夾一層較厚的低摻雜的 P 型或 N型層而構(gòu)成： P+NN+或 P+PN+結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)在分析晶閘管正向壓降的模型，所以本節(jié)著重分析 PIN 二極管的正向壓降。 PIN 二極管的一般理論 所謂 PIN 二極管是由重?fù)诫s的 P 型區(qū) 和 N 型區(qū)之間夾一接近本征型的高電阻率 i 層構(gòu)成 ，其一般結(jié)構(gòu)，其一般結(jié)構(gòu)如圖 2－ 2 所示。 I 層厚度由反向耐壓和正向電流決定 。在熱平衡時(shí)的能帶圖、載流子分布、空間電荷及電場(chǎng)分布 2－ 2 所示。 18 + + + + + + + P I N x 2 x 3 x 4 x 5 E c E v p n n p p n x x x 電荷 E 圖 2－ 2 PIN 二極管 的結(jié)構(gòu)、能帶、載流子分布空間電荷機(jī)電場(chǎng)分布 與 PN 結(jié)類似，在 PI結(jié)和 NI 結(jié)也會(huì)形成空間電荷區(qū)。因此 I 層可分為三個(gè)區(qū)域：（ 1）x2 到 x3 之間的 正電荷區(qū)；（ 2） x3 到 x4 的中性區(qū)；（ 3） x4 到 x5 之間的負(fù)電荷區(qū)。中性 I區(qū)相當(dāng)一個(gè)長(zhǎng)為（ x4x3）的電阻。因而 PIN 二極管好似一個(gè) PI 二極管和一個(gè)電阻及一個(gè) NI 二極管三者的串聯(lián)組合。 PIN 二極管的 正 向壓降可視為三步分組成： PI結(jié)和 NI結(jié)的結(jié)壓降以及 I 區(qū)的體壓降 。設(shè)外加正向壓降為 VF 則 MNIPIF VVVV ??? (27) 下面首先對(duì)體壓降作簡(jiǎn)化的分析，然后再做精確的分析討論。如圖 2－ 2所示的 PIN 二極管中，如果假定兩個(gè)端部的注入效率為 1，即認(rèn)為在兩個(gè)端部（ P+區(qū)和 N+）不存在少數(shù)載流子流的流動(dòng)，那么正向電流只是由空穴和電子在基區(qū)的復(fù)合而引起的。根據(jù)空穴和電子在I 區(qū)復(fù)合的速率便可計(jì)算正向電流，因?yàn)? ??? ddqUdxJ （ 2－ 8） 式中，基區(qū)寬度 WI=2d， U 為大電流下給出的復(fù)合率 U(x)=n(x)/τa。假定注入空穴的平均濃度（ p ）和注入電子的平均濃度（ n ）相等，且遠(yuǎn)大于本征的載流子濃度 ni。將式（ 2－ 8）積分得到 adnqJ ?2? （ 2－ 9） 式中， τa為雙極壽命。如果進(jìn)一步假定整個(gè) I區(qū)的載流子濃度是均勻分布的，那么可以忽略載流子的擴(kuò)散作用，于是由平均電場(chǎng) E 引起的電流密度便可以寫(xiě)成 ? ? EnqJ np ?? ?? (210) 因?yàn)榭缭皆?I 區(qū)兩端的電壓降可以表示為 VM=2dE，聯(lián)立（ 2－ 9）和（ 2－ 10）得到 19 ? ?? ?apnMdV ??? ?? 22 （ 2－ 11） 盡管這是一個(gè)簡(jiǎn)化的表達(dá)式，但它 指出了 PIN 二極管正向壓降與雙極壽命成反比，而正比于基區(qū)寬度的平方的重要結(jié)論，反映出實(shí)際器件壓降的一般趨勢(shì)。 PIN 二極管的正向特性 下面敘述比較完整的 PIN 二極管理論。圖 2－ 3 示出了這種器件的結(jié)構(gòu)， I 區(qū)的寬度取為 2d，假定 PI結(jié)、 NI 結(jié)的注入效率為 1. 1. 基區(qū)體壓降 大注入或中注入下， PIN 二極管伏安特性方程的推導(dǎo)很繁雜，公式及其陳長(zhǎng)。它的基本思路是首先找出各區(qū)載流子所遵從的運(yùn)動(dòng)方程，根據(jù)邊界條件求解電子、空穴濃度的分布；然后再由電流密度方程求得電場(chǎng)強(qiáng)度和電流密度 J；然后對(duì) E 積分得到正向 體壓降 VM。 為了求得 I 區(qū)內(nèi)載流子濃度的分布，必須求解連續(xù)性方程。因 I區(qū)工作在大注入狀態(tài)，該區(qū)內(nèi)穩(wěn)態(tài)雙極連續(xù)性方程可表示為 22 )()(0)(x xnDxntxn aa ???????? ? （ 2－ 12） 金屬 P+ N+ 金屬 d 0 +d P = N A n ( d) = p ( d) B = n = p B = 0 n = N D n po p no P ( + d ) = n( + d ) N I V V PI V M V NI V F 圖 2－ 3 PIN 二極管正向?qū)〞r(shí)的載流子及電位分布 式中 Da為雙極擴(kuò)散系數(shù)，因此雙極擴(kuò)散長(zhǎng)度為 La=（ Daτa） 1/2，于是上式變?yōu)? 0)()( 222 ?? nLxndx xnd （ 2－ 13） 此式為雙極擴(kuò)散方程，其一般解為 20 nn LxLx eAeAxn _21)( ?? （ 2－ 14） 常數(shù) A A2 邊界條件確定。按照 兩邊結(jié)注入效率為 1 的假定，邊界條件為 0)()( ???? dJdJ Pn （ 2－ 15） 另一方面，在 x=+d 處的電子電流密度為 dxnnnF dx xdnqDdEdnqdJJ ???????? )()()()( ? （ 2－ 16） 其中電場(chǎng)由載流子濃度確定 dxdxdndnqkTdE ????? )( 1)( （ 2－ 17） 將式（ 2－ 17）代入（ 2－ 16）中得 dxnn dxdnqDdJ ???? 2)( （ 2－ 18） 類似地分析可得 dxPPF dxdPqDdJJ ????? 2)( (219) 上述推導(dǎo)利用了電中性條件 n(x)=p(x)。將邊界條件式（ 2－ 18）和（ 2－ 19）代入（ 2－ 14），并考慮到 dn(x)/dx=dp(x)/dx 及 JF=JP(d)=Jn(+d)，即可求出 常數(shù) A1 和 A2 得表達(dá)式。然后再代入（ 2－ 14）中，便可解出 I 區(qū)得電子濃度分布（空穴具有相同得分布） ? ?? ? ? ?? ??????? ??aaaaaaF Lx LxBLx LxqLJxn /c o s h /s in h/s in h /c o s h2)( ? （ 2－ 20） 式中， 11?????? bbB pn pn ?? ??（ b=μn/μp） （ 2－ 21） 根據(jù)假設(shè)，正向電流 JF是由 I 區(qū)空穴和電子復(fù)合而引起的，故aMFqndJJ ?2?? 。 由式（ 2－ 20）確定 I 區(qū)中載流子分布，如圖 2－ 3 所示 ?？昭ê碗娮訚?度再 PI（ d）結(jié)及 NI（ +d）結(jié)處最高，由于空穴和電子的遷移率不同，（ μn＞ μp，故 B=1/2） ,其濃度最低點(diǎn)偏向陰極側(cè)。若假定 μn＝ μp， B=0，載流子分布是對(duì)稱的，其最低點(diǎn)再中央處。隨著離開(kāi)結(jié)的據(jù)距離的增加，載流子的濃度的下降取決于雙極擴(kuò)散長(zhǎng)度 La，而擴(kuò)散長(zhǎng)度是由大注入壽命 τa所控制。 為了確定 I 區(qū)的電壓降 VM，首先必須知道電場(chǎng)的分布。在 I 區(qū)中，電流與電場(chǎng)的關(guān)系由下列關(guān)系式確定， )()( xJxJJ nPF ?? （ 2－ 22） 及 ?????? ?? dx xdnqkTxExnqJ nn )()()(? （ 2－ 23） 21 和 ?????? ?? dx xdpqkTxExpqJ pp )()()(? （ 2－ 24） 聯(lián)立以上三式并考慮到 n(x)=p(x)得到 dx xdnxn BqkTxnq JxE pn F )()()()()( ??? ?? （ 2－ 25） 在（ 2－ 25）中，右邊第一項(xiàng)為歐姆電壓降產(chǎn)生的電場(chǎng)分量，第二項(xiàng) 是電子和空穴遷移率不等產(chǎn)生的濃度分布不對(duì)稱形成的電場(chǎng)分量 。采用（ 2－ 20）的濃度分布，將 （ 2－ 25）在I 區(qū)內(nèi)積分得到該區(qū)體壓降 VM，即 ? ?? ?? ?? ????????????????????????????????????????????????