02 功率二极管
1. PN结基础
半导体中的最外层电子会和相邻硅原子共享，形成共价键。在一定温度下，半导体中会产生少量自由电子和空穴对；温度升高时，自由电子和空穴数量也会增加。
1.1 N型半导体
- 掺杂价电子为 5 的磷原子。
- 多出来的 1 个电子可以自由移动。
- 自由电子为多子，空穴为少子。
1.2 P型半导体
- 掺杂价电子为 3 的铝原子。
- 会形成 1 个可以接收电子的空穴。
- 相邻电子可以随时填补空穴，因此表现为空穴在相对运动。
- 空穴为多子，自由电子为少子。
2. PN结的形成
P型半导体和N型半导体接触后，会形成PN结。
图：P 型与 N 型半导体接触前后的载流子分布
N区自由电子浓度较高，会向P区扩散，并在交界处与空穴复合，这属于扩散运动。
复合后，中间区域缺少可移动的自由电子和空穴，形成耗尽层。耗尽层中，N区失去电子后留下正离子，P区失去空穴后留下负离子，因此中间形成空间电荷区，也就是PN结的静电场势垒区。
图：PN 结形成后的耗尽层与空间电荷区
笔记｜我的理解
PN结一形成，交界处就不再是简单的P区和N区相接，而是多了一个由固定离子构成的耗尽层。这个区域会形成内电场，阻止载流子继续自由扩散。
3. PN结的偏置
3.1 正向偏置
图：正向偏置削弱内建电场
正向偏置时，外加电场方向与PN结内电场方向相反，因此会削弱内电场，使势垒区变窄。
当外加电压足够大时，载流子可以越过势垒区并形成电流，这个电压称为正向偏置电压。典型值为：
- 硅二极管：约 $0.7V$
- 锗二极管：约 $0.3V$
导通过程可以这样理解：
- 电子从N区逐步向P区扩散。
- 外部电路持续给N区补充电子。
- 电子经PN结和外部电路形成连续通路。
因此，二极管在正向偏置且电压足够大时导通。
3.2 反向偏置
图：反向偏置增强内建电场
反向偏置时，外加电场方向与PN结内电场方向一致，因此会增强内电场，使势垒区变宽。
此时多数载流子难以通过PN结，二极管基本不导通。但P区和N区中的少子仍然会在电场作用下运动，产生很小的漏电流，称为反向饱和电流。
要点｜关键点
正向偏置主要削弱势垒、促进多数载流子扩散；反向偏置主要增强势垒、只剩少子漂移形成很小的电流。
4. 反向击穿
当反向电压继续增大到一定程度时，PN结会发生击穿。击穿并不一定意味着器件立刻损坏，关键取决于电流是否被外部电路限制。
4.1 雪崩击穿
反向偏置时，耗尽区电场强度增大，少数载流子在电场中获得更高动能。
高速运动的自由电子撞击原子，可能产生新的电子-空穴对。新产生的载流子继续被电场加速，并进一步撞击其他原子，最终使耗尽区内电子和空穴数量成倍增加，形成雪崩击穿。
4.2 齐纳击穿
在高掺杂浓度的PN结中，P区和N区之间的耗尽层很窄。
当反向电压产生的电场足够强时，电场可以直接把共价键中的电子拉出，产生大量载流子，从而形成齐纳击穿。
5. PN结电容
PN结存在结电容，通常可以分为势垒电容和扩散电容。
5.1 势垒电容 $C_b$
当外加偏置电压不足以使PN结导通时，耗尽层仍然存在。外加电压变化会使耗尽层宽度变化，因此可以把耗尽层看作一种电容，称为势垒电容。
5.2 扩散电容 $C_d$
正向偏置较大时，耗尽层明显变窄甚至近似消失，大量载流子会在PN结两侧存储和扩散，这种由载流子存储效应形成的电容称为扩散电容。
势垒电容和扩散电容统称为结电容。
图：势垒电容与扩散电容示意
6. 功率二极管的结构
普通二极管的PN结原理同样适用于功率二极管。功率二极管需要承受更高反向电压和更大正向电流，因此不能只用简单的 $P^+N^+$ 结构。
图：功率二极管的基本层结构
功率二极管通常会在重掺杂的 $P^+$ 区和 $N^+$ 区之间加入一层轻掺杂、较厚的 $N^-$ 区。
图：轻掺杂漂移区在功率二极管中的位置
$N^-$ 区与 $P^+$ 区交界处会形成耗尽层。由于 $N^-$ 区掺杂浓度低、厚度较大，在反向偏置时耗尽层可以向 $N^-$ 区扩展，从而承受更高反向电压。
6.1 反向偏置
图：反向偏置时耗尽层向漂移区扩展
反向偏置时，$N^-$ 区主要用于承受反向电压。一般来说：
- $N^-$ 区越宽，耐压能力越强。
- $N^-$ 区掺杂越轻，空间电荷区越容易扩展，也越有利于提高耐压。
- 如果反向电压继续升高，耗尽区甚至可以扩展到 $N^+$ 区附近。
6.2 正向偏置
图：正向偏置时的载流子注入与导通过程
正向偏置时，势垒区变窄甚至近似消失，电子从 $N^+$ 区向 $N^-$ 区和 $P^+$ 区扩散，空穴也会从 $P^+$ 区注入 $N^-$ 区，最终形成导通。
加入 $N^-$ 区的影响：
- 优点：提高反向耐压。
- 代价：正向通态压降和导通电阻增大。
- 动态影响：存储电荷和反向恢复问题更明显。
笔记｜我的理解
功率二极管的核心取舍是：为了提高耐压，需要加入较厚、轻掺杂的漂移区；但漂移区会带来更大的导通压降和更明显的动态恢复问题。
6.3 管脚与偏置方向
二极管有阳极A和阴极K。通常：
- A接正、K接负：正向偏置，二极管导通。
- A接负、K接正：反向偏置，二极管截止。
图：二极管阳极、阴极与偏置方向
7. 功率二极管的静态特性
静态特性主要描述二极管在稳定电压、电流条件下的伏安关系。
7.1 反向特性
反向偏置时，二极管承受反向电压，只有少数载流子引起很小的反向饱和电流。
当反向电压达到击穿电压 $V_B$ 附近时，反向电流急剧增大，器件进入反向击穿状态。环境温度升高时，反向漏电流增大，曲线通常会下移。
图：功率二极管的反向伏安特性
常见反向参数：
| 参数 | 含义 |
|---|---|
| $V_{RDC}$ | 直流阻断电压，器件允许承受的最大直流反向电压，必须小于击穿电压 |
| $V_{RRM}$ | 反向重复峰值电压，器件允许周期性重复出现的最大反向峰值电压 |
| $V_{RSM}$ | 反向不可重复峰值电压，器件允许的短时、不可重复反向峰值电压 |
| $I_R$ | 反向饱和电流或反向漏电流 |
7.2 正向特性
正向偏置时，耗尽层变窄。当正向电压达到门槛电压 $V_{T0}$ 后，正向电流明显增大，器件进入稳定导通状态。
稳定导通段可近似看作一条斜线，斜率的倒数为斜坡电阻 $r_T$。环境温度升高时，正向导通曲线通常会上移，即同一电压下电流更大。
图：功率二极管的正向伏安特性
常见正向参数：
| 参数 | 含义 |
|---|---|
| $I_{FRMS}$ | 导通有效电流，导通时器件允许流过的最大电流有效值 |
| $I_{FAVM}$ | 导通平均电流，导通时器件允许流过的最大电流平均值 |
| $I_{FSM}$ | 正向浪涌电流，器件允许承受的最大短时瞬时电流 |
| $\int i^2 dt$ | 浪涌电流积分，反映浪涌期间的发热能量，单位通常为 $A^2s$ |
| $V_F$ | 导通压降，二极管导通时器件两端的电压 |
| $V_{T0}$ | 门槛电压，器件进入稳定导通区的近似最低电压 |
| $T_{vj}$ | 最高工作结温 |
要点｜区分平均值和有效值
平均电流主要与器件长期发热和允许载流能力有关；有效电流更直接对应电流热效应，因为发热功率与 $i^2$ 有关。
8. 功率二极管的动态特性
动态特性描述二极管从关断到导通、从导通到关断的过渡过程。实际功率电路中，动态过程会带来电压过冲、电流尖峰和开关损耗。
图：功率二极管在不同开关状态间的转换
8.1 正向恢复过程：S2 到 S1
从反向截止切换到正向导通时，二极管电流逐渐增大，最后进入稳定导通。电流上升斜率通常与电路电感有关。
在刚开始导通的瞬间，二极管两端可能出现正向电压过冲 $V_{FP}$。随后，由于载流子注入增加，二极管等效电阻下降，导通压降逐渐接近稳态值。$t_{fr}$ 表示正向恢复时间。
图：从反向阻断切换到正向导通的恢复过程
8.2 反向恢复过程：S1 到 S2
从正向导通切换到反向偏置时，二极管电流不会立刻变为零，因为导通时存储在PN结附近的载流子需要被抽走。
电流先下降到零，然后反向流过一段时间，达到反向恢复电流峰值 $I_{rr}$，再逐渐恢复到反向漏电流。反向电流部分对应的电荷称为反向恢复电荷 $Q_{rr}$。
寄生电感或杂散电感会在电流快速变化时产生电压过冲，因此反向恢复越剧烈，电路中的尖峰和电磁干扰风险越大。
图：从正向导通切换到反向阻断时的恢复电流
完整动态曲线：
图：完整的反向恢复过程波形
补充图：
图：反向恢复过程的细节示意之一
图：反向恢复过程的细节示意之二
9. P2问题：功率二极管是否可以直接并联？
图：功率二极管并联时的电流分配与热失控风险
9.1 结论
功率二极管不建议直接并联使用。理论上并联可以分流，但实际器件参数不可能完全一致，直接并联容易造成电流分配不均，严重时会使某一只二极管过热甚至失效。
9.2 为什么不能直接并联？
主要原因是电流不均流和热失控风险。
二极管并联时，两只二极管两端电压相同。但每只二极管的正向压降 $V_F$、动态电阻、结温、封装热阻都存在差异。如果其中一只二极管的 $V_F$ 略低，它会先流过更大的电流。
电流变大后，该二极管发热增加，结温升高。温度升高又可能使它在相同电压下更容易导通，于是电流进一步向它集中，形成：
$$
V_F\text{略低} \rightarrow I_F\text{更大} \rightarrow 温度升高 \rightarrow 更容易导通 \rightarrow I_F\text{继续增大}
$$
结果就是：并联支路看似能分流，实际可能变成一只二极管承担大部分电流。
动态过程中还会有额外问题：
- 反向恢复时间不同，关断时某些二极管可能承担更大的反向恢复电流。
- 线路寄生电感不同，会导致瞬态电压、电流分配不均。
- 散热条件不同，会进一步放大静态参数差异。
9.3 有哪些解决方案？
如果必须并联功率二极管，可以采用以下方法改善均流：
- 选用同型号、同批次、参数匹配的二极管。
- 让并联器件共用散热器，尽量保持结温一致。
- 每个二极管串联小电阻作为均流电阻，用电阻压降抵消 $V_F$ 差异。
- 大电流或高频场景中，尽量让走线长度、铜箔阻抗和寄生电感保持对称。
- 对高频整流或开关场景，优先选择带均流设计的整流模块，或直接选用额定电流更大的单只器件。
- 设计时留出电流降额，不要按理想平均分流来使用。
小结｜一句话记忆
功率二极管可以“工程上受控并联”，但不适合“直接裸并联”。并联设计的关键不是接在一起，而是让每个支路能够稳定均流。
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