电力二极管的工作原理解析

电力二极管的基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管是一样的，都是以半导体PN 结为基础，其基本原理是PN 结的单向导电性。电力二极管实际上是由一个面积较大的PN 结和两端引线以及封装组成的。图1.4 所示为电力二极管的外形、结构和电气图形符号。从外形上看，电力二极管主要有螺栓型和平板型两种封装。目前，电力二极管模块也得到推广应用。

为了建立承受高电压和大电流的能力，电力二极管具体的半导体物理结构和工作原理具有如下不同于信息电子电路二极管之处。

图1.4　电力二极管的外形、基本结构和电气图形符号

（1）垂直导电结构

电力二极管内部结构断面示意图如图1.5 所示。电力二极管大都是垂直导电结构，即电流在硅片内流动的总体方向是与硅片表面垂直的。而信息电子电路中的二极管一般是横向导电结构，即电流在硅片内流动的总体方向是与硅片表面平行的。垂直导电结构使得硅片中通过电流的有效面积增大，可以显著提高二极管的通流能力。

图1.5　电力二极管内部结构断面示意图(www.xing528.com)

（2）N 型漂移区

电力二极管在P 区和N 区之间多了一层低掺杂的N 区，也称为漂移区。低掺杂N 区由于掺杂浓度低而接近于无掺杂的纯半导体材料（即本征半导体），因此，电力二极管的结构也被称为P-i-N 结构。由于掺杂浓度低，低掺杂N 区就可以承受很高的电压而不至于被击穿，因此低掺杂N 区越厚，电力二极管能够承受的反向电压就越高。

（3）电导调制效应

低掺杂N 区由于掺杂浓度低虽然有利于提高二极管的反向耐压，但是其高电阻率对于二极管的正向导通是不利的。这个矛盾是通过电导调制效应来解决的。

当PN 结上流过的正向电流较小时，二极管的电阻主要作为基片的低掺杂N 区的欧姆电阻，其阻值较高且为常量，因而管压降随正向电流的上升而增加；当PN 结上流过的正向电流较大时，由P 区注入并积累在低掺杂N 区的少子空穴浓度将很大，为了维持半导体的电中性条件，其多子浓度也相应增加，使得其电阻率明显下降，也就是电导率大大增加，这就是电导调制效应。电导调制效应使得电力二极管在正向电流较大时压降仍然很低，维持在1 V 左右，所以正向偏置的电力二极管表现为低阻态。

PN 结具有一定的反向耐压能力，但当施加的反向电压过大时，反向电流将会急剧增大，破坏PN 结反向偏置为截止的工作状态，这就叫反向击穿。反向击穿按照机理不同有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式。反向击穿发生时，只要外电路中采取了措施，将反向电流限制在一定范围内，则当反向电压降低后PN 结仍可恢复原来的状态。但如果反向电流未被限制住，使得反向电流和反向电压的乘积超过了PN 结允许的耗散功率，就会因热量散发不及时而导致PN 结温度上升，直至过热而烧毁，这就是热击穿。

PN 结中的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应，称为结电容CJ。结电容按其产生的机制和作用的差别分为势垒电容CB 和扩散电容CD。在正向偏置时，当正向电压较低时，势垒电容为主；正向电压较高时，扩散电容为结电容的主要成分。结电容影响PN 结的工作频率，特别是在高速开关的状态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作，应用时应加以注意。