整流二极管的细节分析

1.2.1 PN结

大体意义上讲，PN结的定义为：采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体基片上，一般半导体的材料选择为硅或者锗，在它们的交界面就形成空间电荷区称为PN结。

具体介绍PN结的形成大体分为三步，首先扩散运动，P区的空穴浓度远大于N区的自由电子浓度，因此，P区的空穴必然向N区扩散，并与N区中的自由电子复合而消失；同样，N区的自由电子必然向P区漂移，并与P区中的空穴复合而消失。其次是空间电荷区的产生，扩散运动导致了P区一侧失去空穴而留下负离子，N区一侧失去电子而留下正离子，这些不能移动的带电离子称为空间电荷，相应地这个区域称为空间电荷区，最后由于有正离子和负离子，这样在空间电荷区内就会产生一个内电场，内电场的产生让多子的扩散和少子的漂移达到了一个动态平衡，最后形成了PN结。如下图PN结的形成所示。

早期的二极管也就是半导体的制作工艺是将两个独立的掺杂材料放在一起高温熔接而成，现在的二极管和原来相比只是制作工艺更加精确，让两个相邻的不同掺杂区域组合构成，一个区域是在半导体材料中掺入施主原子产生自由电子的n区域，另一个是掺入受主原子形成有自由空穴的p型区域，两个区域的交界就是二极管的物理结，其电子结包括各区域的狭窄边缘，称为耗尽层也就是上面介绍的PN结，二极管的p型区域为正极，n型区域则相反，大体结构图如下。

1.2.2 半导体二极管的类型

所有的二极管的特性基本上是一致的，都是由PN结组成，不过每种二极管又在局部上做了细化，下面对半导体二极管根据结构，用途等进行区分。

首先按材料分：有硅二极管，锗二极管等。工作中主要使用的二极管为硅和锗两种材料，不过还有很多由其他材料制成的二极管。两者的区别，硅二极管的结电容大，可通过的电流大，不过工作频率低，一般用在整流，锗二极管则相反，可通过电流小，工作频率高，一般用在高频小功率中，两者还有一个本质差别，硅的导通压降要大于锗管。

按结构分：有点接触型，面接触型二极管和平面接触型。三者的主要差别是PN结面积大小，点接触型PN结接触面积小，不能通过大电流，它的应用一般在高频电路中，如检波或脉冲电路中；面接触型相对于点接触型PN结要大一点，过电流能力也相对强一点，它应用在较大功率的电路中；相对于点接触和面接触而言，过流能力最大的就是平面型二极管，因为它的PN结最大，一般应用在大功率的场合中；三者的结构图如下。

按功率分：有大功率，小功率二极管。功率的区分实际上就是电流的区分，大功率就是流过电流大的，小功率就相反，就是流过电流小的。简单举个例，如下图为1N400系列二极管的参数，如下图可以看出IF为1A，而1N400系列二极管的管压降为0.7V，P=UI,所以可得为0.7W。所以功率的大小就可以通过上述方式计算可得。

1.2.3 整流二极管关键参数

（1）最大平均整流电流IF：指二极管长期工作时允许通过的最大正向平均电流。该电流由PN结的结面积和散热条件决定。使用时应通过二极管的平均电流不能大于此值，并要满足散热条件。

（2）最高反向工作电压VR：指二极管两端允许施加的最大反向电压。若大于此值，则反向电流(IR)剧增，二极管的单向导电性被破坏，从而引起反向击穿。通常取反向击穿电压VB的一半作为VR。

（3）最大反向电流IR：它是二极管在最高反向工作电压下允许流过的反向电流，此参数反映了二极管单向导电性能的好坏。因此这个电流值越小，表明二极管质量越好。

（4）击穿电压VB：指二极管反向伏安特性曲线急剧弯曲点的电压值。

（5）正向电压VF：指二极管正向电压是电流通过二极管传导时产生的电压降。

（6）反向恢复时间trr：指在规定的负载、正向电流及最大反向瞬态电压下的反向恢复时间。

1.2.4 整流二极管失效模式

整流二极管失效模式主要有电参数漂移，开路，短路，和间歇性失控等，不过加速整流二极管的主要失效的还是工作电压和温度，它们是加速整流二极管失效的两个重要应力，整流二极管失效与工作电压的大小密切相关，工作电压越高，寿命越短，在相同温度条件下，整流二极管的寿命与工作电压的关系基本遵从电应力为加速变量的加速模型：

Q=1KT*UC

Q为整流二极管的寿命U为工作电压K(T)温度的函数C常数

上式两边取对数可得如下：

lnQ=-C*lnU-lnK(T)

上式可以得出整流二极管的寿命Q和工作电压U成线性关系。

如下为一种整流二极管在三种温度下的寿命和工作电压的曲线图。

如上图可以清晰的看出，在同种温度下，工作电压越高，二极管失效越快，寿命越短，如图也可以看出温度也是影响整流二极管失效的一个重要因数之一，温度越高，失效越快。

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