电力电子器件 -- 功率二极管

一、PN结原理介绍

1.本征半导体

• Si元素是14号元素，在被用作半导体材料时，最外层有四个电子，当最外层的每个电子与相邻的硅原子共享时，构成了共价键；
• 即使一个硅原子和其他四个硅原子刚好共享四个电子构成了四个共价键，也会产生少量的自由电子和空穴对；
• 随着温度的升高，自由电子和空穴对将会增加。

2.N掺杂

• N掺杂就是会有自由电子；
• N掺杂掺杂价电子为5的磷元素；
• 其中有一个电子可以自由移动。

3.P掺杂

• 掺杂价电子为3的铝元素；
• 其中有一个可放置电子的空穴
• 相邻电子可随时补上，电子移动即空穴相对运动；

4.PN结

4.1. P型半导体

• 组成：P型半导体是通过掺杂接受体杂质（如硼）而形成的。在硅基材中掺入硼原子后，硼原子有三个价电子，这使得硅晶格中缺少一个电子，形成“孔”。
• 载流子：P型半导体中的主要载流子是孔（正电荷），即空穴为多子。孔的存在使得电子能够在晶格中移动，从而实现电流的流动。

4.2. N型半导体

• 组成：N型半导体是通过掺杂施体杂质（如磷）形成的。在硅基材中掺入磷原子后，磷原子有五个价电子，导致有一个多余的电子。
• 载流子：N型半导体中的主要载流子是自由电子（负电荷）即电子为多子。这些自由电子可以在晶格中自由移动，使得电流得以流动。

4.3. PN结的形成

• 接合：当P型半导体和N型半导体接触时，N区自由电子浓度高会从N型区扩散到P型区，与孔结合（扩散运动），形成耗尽区。
• 耗尽区：在这个区域，由于电子与孔的复合，导致没有自由载流子存在，从而形成了一个电势势垒。耗尽区的存在是PN结的重要特性。

4.4. 电势势垒

• 形成机制：耗尽区中，P型和N型区域的电荷分布不均匀，P型区的孔和N型区的电子形成了内建电场，造成电势势垒。
• N区材料本体呈电中性（自由电子和正供体离子数目相等），耗尽层N侧失去电子，仅留下正离子，呈现出正电性；P区情况则相反。
• 功能：该势垒使得PN结在没有外加电压时不导通，起到重要的整流作用。

4.5. 极性

• 正向偏置：当P型区连接到正电压（和PN结内部电子流动方向一致），N型区连接到负电压时，PN结导通，电流流动。

1. 势垒区产生的电场方向与外加的电场方向相反。
2. 当外加电场电压赋值大于势垒区的电场电压赋值，才会有电流的产生，这个电压称为正向偏置电压（硅元素0.7V），如下图：

3. 当PN结达到正向偏置电压时，以下结果会出现：

• 导通：正向偏置使得P型区域连接到正电压，N型区域连接到负电压，降低了电势势垒，从而允许电子从N型区流向P型区，形成电流。

• 电流增加：随着正向电压的增加，流经PN结的电流迅速增加。电流的增加通常遵循指数关系，即电流随电压的增加呈现非线性增长。

• 热效应：导通电流增加可能导致PN结内部产生热量，特别是在高电流下，这需要注意散热管理，以防止器件过热损坏。

• 特性变化：在某一导通电压（通常约为0.7V对于硅二极管），PN结完全导通，进入饱和状态，此时电压变化对电流的影响逐渐减小，如下图：

• 反向偏置：当P型区连接到负电压（势垒区的电子流动方向和反向电压的相反），N型区连接到正电压时，PN结不导通，电流几乎为零。