PN结和电力二极管的工作原理

电力二极管的基本结构与工作原理同电子电路中的二极管是一样的，都是以PN结为基础的。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1-1所示为电力二极管的外形、结构和电气图形符号。从结构上看，电力二极管主要有螺栓型、平板型和模块型三种结构。

图1-1 电力二极管的外形、结构和电气图形符号

a）外形 b）结构 c）电气图形符号

为全面了解电力二极管的工作原理和特性，下面将二极管的工作原理简单回顾一下。

（1）PN结为零偏置

在PN结不加电压（零偏置）情况下，PN结交界面处两边的多数载流子浓度差异引起两边的多数载流子各自向对方扩散，导致PN结附近形成了一个空间电荷区，建立了一个自建电场。电场方向如图1-2a所示，该电场恰好起到阻碍多数载流子扩散的作用，直到动态平衡为止，空间电荷区展宽到一定的宽度，这一空间电荷区也称耗尽层、阻挡或势垒区。

（2）PN结为正向偏置

当PN结外加正向电压（正向偏置）时，如图1-2b所示，外加电压削弱了内部电场，空间电荷区变窄，因而也就削弱了自建电场对多数载流子扩散的阻挡作用，原来零偏置时的动平衡遭到破坏。这时P区的空穴不断涌入N区，N区的电子也不断涌入P区，各自成了对方区内的少数载流子。把多数载流子在外部因素（外加电压）作用下不断向导电类型相反的区域运动的现象称为少数载流子的注入。这些注入的多余载流子在几个扩散长度内被复合掉，在几个扩散长度之外的载流子运动为漂移运动，以维持电流的连续流动。这样PN结就形成了正向电流，并随着外加正向电压的增加，电流按指数规律上升。当PN结通过正向大电流时，正向管压降只有1 V左右。这是因为在通过正向大电流时，注入基区（通常是N型材料）的空穴浓度大大超过了原始N型基片的多数载流子浓度，为了维持半导体的电中性条件，多数载流子浓度也要大幅度增加。这意味着，在大量注入条件下，原基区的电阻率大大降低了，这种效应称为基区电导调制效应。

图1-2 不同偏置下的PN结(www.xing528.com)

a）零偏置下PN结 b）正向偏置下PN结 c）反向偏置下PN结

（3）PN结为反向偏置

在PN结外加反向电压（反向偏置），如图1-2c所示，外加电压增强了内部电场，因而增强了对PN结两边多数载流子扩散的阻挡，多数载流子的扩散电流微乎其微。但对PN结两边的少数载流子反而起到促进作用，而以漂移电流形式通过空间电荷区，形成了反向漏电流。但随着外加电压的提高，空间电荷区变宽，其内部场强也增加。当外加电压达到空间电荷区内部场强的雪崩击穿强度时，反向漏电流急剧增加。雪崩击穿时，PN结内部会因其损耗急剧增加而损坏。所以，PN结上所加反向电压受到雪崩击穿电压的限制。

电力二极管与普通二极管的工作原理完全一样，只是因其PN结截面积大，通流能力强，而多用到高电压、大电流场合。电力二极管在使用时，除要求其具有单向导电性外，重点要求满足以下几个方面：

1）低通态压降。

2）短反向恢复时间。

3）低反向电流和小反向恢复电流峰值。

最后一项要求的原因是，如果反向恢复di/dt过大，必然会引起很高的电压峰值。

为达到上述目标，已经提出和研究了多种高压电力二极管结构。其中的主要几种是快速恢复二极管、肖特基二极管、自调整P发射极效率二极管和静电屏蔽二极管。本节后面将重点介绍前两种电力二极管。