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功率二极管是功率器件中最为简单的器件,也是最早应用在电力电子电路中的器件之一,但它的应用却极为广泛。功率二极管的性能通常需会成为决定电路能否成功运行的关键。其它有源器件对速度的提高对功率二极管的性能提出了越来高的要求。功率二极管的应用领域大体可以分为两大部分,一是强调在导通态和关断态间快速转换的高频应用场合,再就是低濒(通常是50或60Hz)电路的应用场合。功率P-i-N二极管是以p-n結的整流原理为基础的,不仅要求其关断时能够承受所需要的阻断电压,而且在通态时要有很小的通态压降。在很多场合,还要求P-i-N二极管能够很快地在正向导通和反向截止之间转换。

PiN二极管的结构

功率P-i-N二极管是由三层半导体组成的,两端高浓度的p+区和n+区,和夹于二者之间的n-区,通常n-区是浓度非常低的轻掺杂区,可以近似认为是本征区,即高阻本征i区。图1为其结构示意图。

图1 PiN二极管的结构及掺杂浓度示意图 
i区可以是轻掺杂的p型区(称之为P+-π-N),也可以是轻掺杂的n型区(称之为P+-v-N)。由于前者能以更快的速度清除正向注入时存储的电荷,所以比后者具有更快的反向恢复速度。但是P+-π-N结构的功率二极管恢复特性太硬,限制了其应用,而P+-v-N结构的功率二极管虽然恢复时间长但特性偏软,有利于减少反向恢复过程中在电路中引起的感应电压;再就是n-型基区相对p-型更不容易引起表面反型,且易于钝化,有利于制造击穿电压较高而且稳定的半导体功率器件.

  掺杂浓度的分布对器件的性能也有着巨大的影响,掺杂浓度突变分布的P+区及N-区更有利于器件的快恢复特性,硅外延生长技术的发展使这种分布有助于减少存储电荷及反向恢复时间,使器件有较快的反向恢复速度。为了同时改善器件的软度特性,可以把i区分布分成两部分,如图2所示。其中n1-区要足够承受所需的反向击穿电压,n2-区的掺杂浓度一方面要限制耗尽区的扩展,另一方面又要满足电导调制的需求。在反向恢复过程中由于n2-区的存储电荷不会被迅速地扫出,使器件具有软恢复特性。

图2 普通基区(虚线)及双基区〔实线)P-i-N二极管掺杂浓度分布示意图