功率二極管（Power Diode）是一種分立式電力半導(dǎo)體器件，它的電壓和電流應(yīng)用范圍遠(yuǎn)大于一般的小信號二極管，可用于整流、鉗位、瞬態(tài)電壓抑制、續(xù)游、吸收、調(diào)制、 轉(zhuǎn)換等。功率二極管分為 PiN (P-intrinsic-N) 二極管和單極型肖特基二極管 (Schottky Barrier Diode, SBD）兩大類型。

1.PiN 二極管

PiN二極管是用電流控制的少子（Minority Carriers)器件，輸入的阻抗較低，驅(qū)動功率較大，在導(dǎo)通時 pn 結(jié)附近有少子存儲，致使器件的開關(guān)速度較慢。硅基 PiN 二極管的工作頻率通常小于1kHz。PiN 二極管的結(jié)構(gòu)及載流子濃度圖如圖 2-59 所示，在重?fù)诫s的p?層及n?層之間增加一個具有特定厚度的低摻雜n型漂移區(qū)（或p型漂移區(qū)）作為耐壓層。對PiN 二極管施加正向偏置電壓時，大量少子注入漂移區(qū)會產(chǎn)生電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)而使通態(tài)電阻和電壓降低，故能大幅降低通態(tài)功耗。在反向偏置時，p?n結(jié)的空間電荷區(qū)主要向低摻雜的n型漂移區(qū)延伸，反向阻斷電壓則由n型漂移區(qū) 的耗盡區(qū)來承受，使得 PiN二極管能夠承受極高的阻斷電壓，且有很小的泄漏電流。通常最大的反向工作電壓為雪崩擊穿電壓的 2/3 倍。正向偏置時，p?區(qū)向n型漂移區(qū)注入大量的空穴，同時n?區(qū)也向n型漂移區(qū)注入大量的電子，由于注入的非平衡少子濃度遠(yuǎn)高于n型漂移區(qū)的原摻雜濃度，故使n型漂移區(qū)的電阻率下降，導(dǎo)致通態(tài)電阻降低以及通態(tài)電流增大，這就產(chǎn)生了電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。此時，大的通態(tài)電流不受n型漂移區(qū)低摻雜及厚度的限制。

減少 PiN二極管漂移區(qū)的厚度可形成穿通型結(jié)構(gòu)，較薄的漂移區(qū)可使通態(tài)的存儲電荷降低而提高關(guān)斷速度。采用擴(kuò)散金、擴(kuò)散鉑、質(zhì)子輻照或電子輻照的方式可以在硅禁帶中引進(jìn)深能級（Deep Levels）的復(fù)合中心，使少子的壽命降低而縮短反向恢復(fù)時間，故能提升關(guān)斷速度。寬禁帶碳化硅 PiN 二極管不僅具有更高的臨界擊穿電壓，而且其內(nèi)較薄的漂移區(qū)結(jié)構(gòu)可降低反向恢復(fù)電流并提高關(guān)斷速度，因此在大電流及高于 10kV 領(lǐng)域有很大的應(yīng)用空間。

2.單極型肖特基二極管

由金屬與硅半導(dǎo)體之間形成的肖特基 ( Schottky）接觸勢壘可產(chǎn)生整流作用，但這種勢壘高度比 pn結(jié)的勢壘高度要低，因此，一般小信號肖特基二極管的正向壓降及擊穿電壓較低，而反向泄漏電流則偏大。如圖2-60 所示，在肖特基二極管中增加一個低摻雜濃度的n?漂移區(qū) 就形成了一種由肖特基結(jié)、n?漂移區(qū)和n?陰極區(qū)組成的功率肖特基二極管結(jié)構(gòu)。通態(tài)壓降由金屬半導(dǎo)體界面壓降、n?漂移區(qū)的電阻及襯底端的歐姆壓降決定。由于單極型肖特基二極管是多子(Majority Carriers）器件，沒有載流子存儲及電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，具有快速的開關(guān)特性和較低的通態(tài)壓降，故在高頻下工作的功耗較低。在反向偏置時，耐壓特性由空間電荷區(qū)向n?漂移區(qū)擴(kuò)展的寬度決定。理論上，最大的電場強(qiáng)度出現(xiàn)在金屬-半導(dǎo)體接觸處，當(dāng)該處電場強(qiáng)度等于半導(dǎo)體的臨界電場強(qiáng)度時即產(chǎn)生擊穿。但實際上，反向阻斷的擊穿電壓會受限于金屬電極的邊緣擊穿，故采用邊緣終端技術(shù)（Edge Termination Technology）可提高功率肖特基二極管的擊穿電壓。通常硅基肖特基二極管的擊穿電壓小于 200V，故硅基肖特基器件適用于高頻領(lǐng)域，而不適用于大電流大電壓領(lǐng)域。寬禁帶 SiC 肖特基二極管 (SiC-SBD）的擊穿電壓已超過 3kV，可適用于較高的功率水平領(lǐng)域，與硅基 IGBT 組成的 Si-IGBT+SiC-SBD 模塊單元能大幅降低功耗。

功率肖特基二極管的泄漏電流包含由耗盡區(qū)內(nèi)空間電荷產(chǎn)生的電流、由中性區(qū)內(nèi)載流子產(chǎn)生的擴(kuò)散電流，以及在金屬-半導(dǎo)體接觸處產(chǎn)生的熱電子發(fā)射電流。其中熱電子發(fā)射電流由溫度及肖特基接觸勢壘主導(dǎo)。由于肖特基接觸勢壘高度相對較小，故泄漏電流以熱電子發(fā)射電流為主，選用相對較大的肖特基接觸勢壘可以降低泄漏電流，減少阻斷狀態(tài)下的功耗，同時可以避免熱奔 (ThermalRunaway）過程而使功率肖特基二極管在較高的環(huán)境溫度下工作。

功率二極管是第一代功率半導(dǎo)體器件，它既可以獨立地運用，也可以為所有功率半導(dǎo)體器件做續(xù)流及吸收。現(xiàn)代功率半導(dǎo)體器件如 IGBT，至少需要一兩個功率二極管為之續(xù)流及吸收。

審核編輯：湯梓紅