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功率二極管是功率器件中最為簡單的器件,也是最早應用在電力電子電路中的器件之一,但它的應用卻極為廣泛。功率二極管的性能通常需會成為決定電路能否成功運行的關鍵。其它有源器件對速度的提高對功率二極管的性能提出了越來高的要求。功率二極管的應用領域大體可以分為兩大部分,一是強調在導通態和關斷態間快速轉換的高頻應用場合,再就是低瀕(通常是50或60Hz)電路的應用場合。功率P-i-N二極管是以p-n結的整流原理為基礎的,不僅要求其關斷時能夠承受所需要的阻斷電壓,而且在通態時要有很小的通態壓降。在很多場合,還要求P-i-N二極管能夠很快地在正向導通和反向截止之間轉換。

PiN二極管的結構

功率P-i-N二極管是由三層半導體組成的,兩端高濃度的p+區和n+區,和夾于二者之間的n-區,通常n-區是濃度非常低的輕摻雜區,可以近似認為是本征區,即高阻本征i區。圖1為其結構示意圖。

圖1 PiN二極管的結構及摻雜濃度示意圖 
i區可以是輕摻雜的p型區(稱之為P+-π-N),也可以是輕摻雜的n型區(稱之為P+-v-N)。由于前者能以更快的速度清除正向注入時存儲的電荷,所以比后者具有更快的反向恢復速度。但是P+-π-N結構的功率二極管恢復特性太硬,限制了其應用,而P+-v-N結構的功率二極管雖然恢復時間長但特性偏軟,有利于減少反向恢復過程中在電路中引起的感應電壓;再就是n-型基區相對p-型更不容易引起表面反型,且易于鈍化,有利于制造擊穿電壓較高而且穩定的半導體功率器件.

  摻雜濃度的分布對器件的性能也有著巨大的影響,摻雜濃度突變分布的P+區及N-區更有利于器件的快恢復特性,硅外延生長技術的發展使這種分布有助于減少存儲電荷及反向恢復時間,使器件有較快的反向恢復速度。為了同時改善器件的軟度特性,可以把i區分布分成兩部分,如圖2所示。其中n1-區要足夠承受所需的反向擊穿電壓,n2-區的摻雜濃度一方面要限制耗盡區的擴展,另一方面又要滿足電導調制的需求。在反向恢復過程中由于n2-區的存儲電荷不會被迅速地掃出,使器件具有軟恢復特性。

圖2 普通基區(虛線)及雙基區〔實線)P-i-N二極管摻雜濃度分布示意圖