深入了解開關(guān)電源中的二極管

肖特基二極管和快恢復(fù)二極管到底區(qū)別在哪?

快恢復(fù)二極管從名稱上很好理解，肖特基二極管是以人名命名，由于制造工藝完全不同，是肖特基博士的一個(gè)創(chuàng)新。

肖特基二極管是以其發(fā)明人肖特基博士(Schottky)命名的，SBD是肖特基勢(shì)壘二極管(SchottkyBarrierDiode,縮寫成SBD)的簡(jiǎn)稱。SBD不是利用P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體接觸形成PN結(jié)原理制作的，而是利用金屬與半導(dǎo)體接觸形成的金屬-半導(dǎo)體結(jié)原理制作的。因此，SBD也稱為金屬-半導(dǎo)體(接觸)二極管或表面勢(shì)壘二極管，它是一種熱載流子二極管。

肖特基二極管和快恢復(fù)二極管在物理結(jié)構(gòu)上是不一樣的。肖特基二極管的陽(yáng)極是金屬，陰極是N型半導(dǎo)體;快恢復(fù)二極管基本結(jié)構(gòu)仍然是普通的PIN二極管，即陰陽(yáng)極分別為N和P型半導(dǎo)體。物理結(jié)構(gòu)決定了兩者的電特性。

1.肖特基二極管耐壓較低，通常在200V以下，同等耐壓，相同電流下，肖特基二極管的正向壓降低于快恢復(fù)二極管。

2. 肖特基二極管載流子只有電子，理論上沒有反向恢復(fù)時(shí)間，而快恢復(fù)二極管本質(zhì)上和PIN二極管一樣，是少子器件的反向恢復(fù)時(shí)間通常在幾十到幾百ns。

3. 額定反向耐壓下，快恢復(fù)二極管的反向漏電流較小，通常在幾u(yù)A到幾十uA;肖特基二極管的反向漏電流則通常達(dá)到幾百uA到幾十mA，且隨溫度升高急劇增大。

二極管反向恢復(fù)時(shí)間到底怎樣形成?

反向恢復(fù)時(shí)間基本的定義是：二極管從導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)換成關(guān)斷狀態(tài)所需的時(shí)間。

從定義可以看出，二極管導(dǎo)通狀態(tài)下突然施加一個(gè)反偏電壓，它不能馬上截止需要一個(gè)過(guò)度時(shí)間，也就是反向恢復(fù)時(shí)間。

通常在開關(guān)電源連續(xù)模式反向恢復(fù)過(guò)程中，二極管流過(guò)較大的反向電流同時(shí)承受了較大的反向電壓，因此造成了很大的反向恢復(fù)損耗，所以一般選反向恢復(fù)時(shí)間越短的越好，在電壓應(yīng)力較低的情況下肖特基是首選。

在CCM PFC中，為了降低這個(gè)損耗，通常的超快恢復(fù)二極管(標(biāo)稱反向恢復(fù)時(shí)間十幾到幾十ns)仍然差強(qiáng)人意，需要用到SiC二極管。常用的SiC二極管通常是肖特基結(jié)構(gòu)，反向恢復(fù)時(shí)間遠(yuǎn)低于PIN二極管。

產(chǎn)生反向恢復(fù)過(guò)程的原因——電荷存儲(chǔ)效應(yīng)

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是由于二極管外加正向電壓VF時(shí)，載流子不斷擴(kuò)散而存儲(chǔ)的結(jié)果。當(dāng)外加正向電壓時(shí)P區(qū)空穴向N區(qū)擴(kuò)散，N區(qū)電子向P區(qū)擴(kuò)散，這樣，不僅使勢(shì)壘區(qū)(耗盡區(qū))變窄，而且使載流子有相當(dāng)數(shù)量的存儲(chǔ)，在P區(qū)內(nèi)存儲(chǔ)了電子，而在N區(qū)內(nèi)存儲(chǔ)了空穴 ，它們都是非平衡少數(shù)載流于，如下圖所示。

空穴由P區(qū)擴(kuò)散到N區(qū)后，并不是立即與N區(qū)中的電子復(fù)合而消失，而是在一定的路程LP(擴(kuò)散長(zhǎng)度)內(nèi)，一方面繼續(xù)擴(kuò)散，一方面與電子復(fù)合消失，這樣就會(huì)在LP范圍內(nèi)存儲(chǔ)一定數(shù)量的空穴，并建立起一定空穴濃度分布，靠近結(jié)邊緣的濃度最大，離結(jié)越遠(yuǎn)，濃度越小 。正向電流越大，存儲(chǔ)的空穴數(shù)目越多，濃度分布的梯度也越大。電子擴(kuò)散到P區(qū)的情況也類似，下圖為二極管中存儲(chǔ)電荷的分布。

我們把正向?qū)〞r(shí)，非平衡少數(shù)載流子積累的現(xiàn)象叫做電荷存儲(chǔ)效應(yīng)。

當(dāng)輸入電壓突然由+VF變?yōu)?VR時(shí)P區(qū)存儲(chǔ)的電子和N區(qū)存儲(chǔ)的空穴不會(huì)馬上消失，但它們將通過(guò)下列兩個(gè)途徑逐漸減少：

① 在反向電場(chǎng)作用下，P區(qū)電子被拉回N區(qū)，N區(qū)空穴被拉回P區(qū)，形成反向漂移電流IR，如下圖所示;

②與多數(shù)載流子復(fù)合。

在這些存儲(chǔ)電荷消失之前，PN結(jié)仍處于正向偏置，即勢(shì)壘區(qū)仍然很窄，PN結(jié)的電阻仍很小，與RL相比可以忽略，所以此時(shí)反向電流IR=(VR+VD)/RL。VD表示PN結(jié)兩端的正向壓降，一般 VR>>VD，即 IR=VR/RL。在這段期間，IR基本上保持不變，主要由VR和RL所決定。經(jīng)過(guò)時(shí)間ts后P區(qū)和N區(qū)所存儲(chǔ)的電荷已顯著減小，勢(shì)壘區(qū)逐漸變寬，反向電流IR逐漸減小到正常反向飽和電流的數(shù)值，經(jīng)過(guò)時(shí)間tt，二極管轉(zhuǎn)為截止。

由上可知，二極管在開關(guān)轉(zhuǎn)換過(guò)程中出現(xiàn)的反向恢復(fù)過(guò)程，實(shí)質(zhì)上由于電荷存儲(chǔ)效應(yīng)引起的，反向恢復(fù)時(shí)間就是存儲(chǔ)電荷消失所需要的時(shí)間。

二極管和一般開關(guān)的不同在于,“開”與“關(guān)”由所加電壓的極性決定, 而且“開”態(tài)有微小的壓降V f,“關(guān)”態(tài)有微小的電流i0。當(dāng)電壓由正向變?yōu)榉聪驎r(shí), 電流并不立刻成為(- i0) , 而是在一段時(shí)間ts內(nèi), 反向電流始終很大, 二極管并不關(guān)斷。經(jīng)過(guò)ts后, 反向電流才逐漸變小, 再經(jīng)過(guò)tf時(shí)間, 二極管的電流才成為(- i0) , ts稱為儲(chǔ)存時(shí)間, tf稱為下降時(shí)間。tr= ts+ tf稱為反向恢復(fù)時(shí)間, 以上過(guò)程稱為反向恢復(fù)過(guò)程。這實(shí)際上是由電荷存儲(chǔ)效應(yīng)引起的, 反向恢復(fù)時(shí)間就是存儲(chǔ)電荷耗盡所需要的時(shí)間。該過(guò)程使二極管不能在快速連續(xù)脈沖下當(dāng)做開關(guān)使用。如果反向脈沖的持續(xù)時(shí)間比tr短, 則二極管在正、反向都可導(dǎo)通, 起不到開關(guān)作用。