開關電源中的二極管詳細資料說明

肖特基二極管和快恢復二極管到底區(qū)別在哪？

快恢復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是肖特基勢壘二極管（SchottkyBarrierDiode,縮寫成SBD）的簡稱。SBD不是利用P型半導體與N型半導體接觸形成PN結(jié)原理制作的，而是利用金屬與半導體接觸形成的金屬－半導體結(jié)原理制作的。因此，SBD也稱為金屬－半導體（接觸）二極管或表面勢壘二極管，它是一種熱載流子二極管。

肖特基二極管和快恢復二極管在物理結(jié)構(gòu)上是不一樣的。肖特基二極管的陽極是金屬，陰極是N型半導體；快恢復二極管基本結(jié)構(gòu)仍然是普通的PIN二極管，即陰陽極分別為N和P型半導體。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時間，而快恢復二極管本質(zhì)上和PIN二極管一樣，是少子器件的反向恢復時間通常在幾十到幾百ns。

3. 額定反向耐壓下，快恢復二極管的反向漏電流較小，通常在幾uA到幾十uA；肖特基二極管的反向漏電流則通常達到幾百uA到幾十mA，且隨溫度升高急劇增大。

二極管反向恢復時間到底怎樣形成？

反向恢復時間基本的定義是：二極管從導通狀態(tài)轉(zhuǎn)換成關斷狀態(tài)所需的時間。

從定義可以看出，二極管導通狀態(tài)下突然施加一個反偏電壓，它不能馬上截止需要一個過度時間，也就是反向恢復時間。

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

在CCM PFC中，為了降低這個損耗，通常的超快恢復二極管（標稱反向恢復時間十幾到幾十ns）仍然差強人意，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)，反向恢復時間遠低于PIN二極管。

產(chǎn)生反向恢復過程的原因——電荷存儲效應

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，載流子不斷擴散而存儲的結(jié)果。當外加正向電壓時Ｐ區(qū)空穴向Ｎ區(qū)擴散，Ｎ區(qū)電子向Ｐ區(qū)擴散，這樣，不僅使勢壘區(qū)（耗盡區(qū)）變窄，而且使載流子有相當數(shù)量的存儲，在Ｐ區(qū)內(nèi)存儲了電子，而在Ｎ區(qū)內(nèi)存儲了空穴 ，它們都是非平衡少數(shù)載流于，如下圖所示。

空穴由Ｐ區(qū)擴散到Ｎ區(qū)后，并不是立即與Ｎ區(qū)中的電子復合而消失，而是在一定的路程LP（擴散長度）內(nèi)，一方面繼續(xù)擴散，一方面與電子復合消失，這樣就會在LP范圍內(nèi)存儲一定數(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，濃度越小 。正向電流越大，存儲的空穴數(shù)目越多，濃度分布的梯度也越大。電子擴散到Ｐ區(qū)的情況也類似，下圖為二極管中存儲電荷的分布。

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

當輸入電壓突然由+VF變?yōu)?VR時Ｐ區(qū)存儲的電子和Ｎ區(qū)存儲的空穴不會馬上消失，但它們將通過下列兩個途徑逐漸減少：

① 在反向電場作用下，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)載流子復合。

在這些存儲電荷消失之前，ＰＮ結(jié)仍處于正向偏置，即勢壘區(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)過時間ts后Ｐ區(qū)和Ｎ區(qū)所存儲的電荷已顯著減小，勢壘區(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)過時間tt，二極管轉(zhuǎn)為截止。

由上可知，二極管在開關轉(zhuǎn)換過程中出現(xiàn)的反向恢復過程，實質(zhì)上由于電荷存儲效應引起的，反向恢復時間就是存儲電荷消失所需要的時間。

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