半導體二極體基本理論和應用
半導體二極體是最基本的電力電子元器件，也是所有開關電源都離不開的元器件。看似很簡單，實際應用中還是有很多問題需要注意的，否則就會因為這個看似簡單的元器件造成整個系統的失效或者工作不正常。本文就會對半導體二極體的基礎理論和實際應用進行比較深入的介紹。
1. 二極體的基本原理
PN結型二極體：
PN結的形成：在同一片半導體基片上，分別製造P 型半導體和N 型半導體，經過載流子的擴散，在它們的交界面處就形成了PN 結。
在PN結兩端引出電極就構成了二極體。二極體加正向電壓時，PN結變窄，正向電流大，正向電阻較小，處於導通狀態。二極體加反向電壓時，PN結變寬，反向電流小，反向電阻大，處於截止狀態。
2. 二極體的伏安特性
3. 二極體的分類
1.普通二極體（General Purpose Diode）
又稱整流二極體（Rectifier Diode），多用於開關頻率不高（1kHz以下）的整流電路中；
其反向恢復時間較長，一般在5μs以上，這在開關頻率不高時並不重要；
正向電流定額和反向電壓定額可以達到很高，分別可達數千安和數千伏以上。
2.快恢復二極體（FastRecovery Diode-FRD）
恢復過程很短特別是反向恢復過程很短（5μs以下）的二極體，也簡稱快速二極體。
從性能上可分為快速恢復和超快速恢復兩個等級。前者反向恢復時間為數百納秒或更長，後者則在100ns以下，甚至達到20~50ns。
3. 肖特基二極體
以金屬和半導體接觸形成的勢壘為基礎的二極體稱為肖特基勢壘二極體（Schottky Barrier Diode-SBD），簡稱為肖特基二極體。
?結構特殊: 金屬層+N,利用接觸勢壘的單嚮導電作用。
肖特基二極體的優點
反向恢復時間很短（10~40ns）
正向恢復過程中也不會有明顯的電壓過沖
在反向耐壓較低的情況下其正向壓降也很小，明顯低於快恢復二極體
其開關損耗和正嚮導通損耗都比快速二極體還要小，效率高
肖特基二極體的弱點：
當反向耐壓提高時其正向壓降也會高得不能滿足要求，因此多用於200V以下
反向漏電流較大且對溫度敏感，因此反向穩態損耗不能忽略，而且必須更嚴格地限制其工作溫度。
4. 二極體的基本特性
1) 溫度特性
VR隨溫度的升高而降低；
VF隨溫度升高而降低。
2) 開通特性
VFR:正向恢複電壓
(1)越高壓的二極體的Vfrm越高
(2)當溫度越高時其Vfrm越高
(3)當電流密度增加時，其Vfrm也會增高
Tfr:正向恢復時間
(1))當溫度越高時，其Tfr也會增加，時間變慢
(2)當電流密度增加時，其Tfr也會增高
(3)當電流斜率增快時，其Tfr會減少
二極體加正向電壓後，在完全導通之前，二極體兩端會產生比導通電壓高的正向壓降；
利用二極體鉗位時，要注意這一最大恢複電壓和恢復時間，留有足夠設計餘量。
3) 關斷特性
PN結構成的二極體在正嚮導通時，PN結中存儲大量的電荷。當電路使二極體換向時，導通時存儲的電荷必須全部被抽出，或被中和。電荷被抽出的過程就是形成了反向恢複電流。
trr:恢復時間
IRM:恢複電流
Qrr:恢複電荷
晶粒面積大的 T 較大晶粒面積大的，Trr較大
晶粒表面（硼面）濃度上升，Trr較小
溫度大幅上升時，Trr會大幅上升
反向恢復過程中di/dt與關斷特性的關係：di/dt大，反向恢復時間短，反向恢複電流大，如下圖：
反向恢復過程是設計者很容易忽視的設計變數，設計上一定要注意以下，尤其是di/dt過程中造成的功率損耗，不能超過二極體的能力。
Vrm過高會導致過大的反向過電壓, 使表面鈍化衰降
Qrr過大會導致Tj升高，IR過大，或因熱阻過高而燒毀
Trr過大時會造成較大的功率損失，也可能使周邊的元件損壞
圖中紅色為電流，藍色為電壓，電壓陰影部分與其電流陰影部分微分乘積，再積分即為反向恢復功耗。很明顯在二極體反向電壓上升期間有反向恢複電流，此時的反向電壓較高，從而二極體會有很大的功耗；
高頻應用中，如PFC升壓二極體其產生的反向功耗有時會遠大於其正向功耗，故選型時注重考慮反向恢復TRR值，選用整流二極體為快速管，這樣會減小器件的功耗、減小失效。
4) 正向浪涌IFSM
IFSM( tj-max)－不可恢復的最大正向電流(結溫條件）
? 晶粒面積越大，器件IFSM越大
? 晶片的電阻係數越高時，器件的IFSM越小
? 器件VR值越大時，它的IFSM越小
? Trr越小VF越大 IFSM越小
實際應用中，確保IFSM> Irush；
但是一般規格書中給出的是8.3ms的數值，而實際應用中如果脈寬大於1ms小於8.3ms可用I2T來換算，獲得新的IFSM，不足1ms按照1ms計算。
5) 雪崩能量/反向浪涌 - Ersm/Vrsm
晶粒面積大的，Ersm較大
晶粒電阻係數小(Vr低的）， Ersm較大
GPP表面鈍化保護緻密度高的，Ersm較大
Trr小的，Vf小的，Ersm較小
6) 熱阻 – Rthj-a, Rthj-c
熱阻值是反映半導體材料的散熱效果，與其自身的結構相關產品的結構，產品的材料性質，如焊接面、塑封材料等相關；
同功率器件，外連接散熱材料面積越大，熱阻越小；
不同的環境條件，熱阻值有不同的變化。
Rth（℃/W）=△t/P
Rthj-a=（Tj-Ta)/P ; Rthj-c=（Tj-Tc)/P
Tj 為材料結溫，Ta為材料正上方1cm空間溫度，Tc為材料表面溫度，P為材料所有功耗之和。
5)二極體常見的失效原因
1)電壓擊穿
二極體反向耐壓能力下降或者工作反向電壓超過額定值引起的失效，多表現為反向特性變壞或者徹底擊穿。晶元上表現為點擊穿或邊緣擊穿。
形成電壓擊穿的原因：
1，供應商產品缺陷
2，加工成型時造成器件晶元損傷
3，安裝器件時埋藏應力
4，工廠生產過程中造成的失效，比如焊錫溫度，ESD等
5，實際應用時電壓應力超標
6，測試時（耐壓）器件損傷
7，由其他器件失效造成連鎖失效
2) 過熱損壞
二極體長時間工作在較大功耗條件下，結溫過高，器件特性退化直至晶元燒毀，晶元上有大面積過熱燒傷痕迹，甚至器件封裝遭到破壞。
形成過熱失效的原因：
1，器件來料不良，如晶元燒結孔洞熱阻大
2，器件安裝不良導致熱阻大
3，功率或結溫降額超標
4，其他器件失效導致的從屬失效
3) 電流浪涌
二極體在瞬時大電流的衝擊下，造成晶元局部崩裂或熔融，嚴重時器件封裝材料炸裂。
形成浪涌的原因：
1，負載短路
2，操作不當局部電路短路
3，其他器件失效導致的短路
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