功率二極管（Power Diode）是電力電子領域的關鍵器件，主要用于整流、續流、保護等高功率應用場景。其結構組成、特點及工作原理與普通二極管有顯著差異，以下從結構組成特點和基本工作原理兩方面詳細闡述：

一、功率二極管的結構組成特點

功率二極管需承受高電壓、大電流和高溫，其結構設計需優化導通損耗、反向恢復特性和熱穩定性。典型結構如下：

1. 核心結構組成

2. 關鍵結構特點

• 輕摻雜漂移區：

• P區和N區摻雜濃度低（1013~101? cm?3），形成高阻抗漂移區，承受大部分反向電壓（如1000V二極管的漂移區厚度可達100μm）。

• 厚度和摻雜濃度決定反向擊穿電壓（BV）。

• N+緩沖區（快恢復二極管特有）：

• 引入高摻雜N+層，加速反向恢復過程中過剩載流子的抽取，降低反向恢復時間（t_rr）和損耗。

• 高導電性電極與封裝：

• 金屬電極采用厚銅或鋁，封裝設計支持大電流（如TO-247封裝可承受100A以上電流）。

二、功率二極管的基本工作原理

功率二極管的核心功能是單向導電性，即正向導通、反向截止。其工作原理基于P-N結的載流子行為，具體如下：

1. 正向偏置（導通狀態）

• 條件：陽極電壓 > 陰極電壓（正向電壓 V_F > 開啟電壓 V_on，硅二極管約0.7V）。

• 載流子行為：

1. 擴散電流：P區的空穴和N區的電子向對方區域擴散，形成電流。

2. 復合與電場平衡：擴散的載流子在漂移區復合，同時內建電場減弱，允許更多載流子通過。

3. 大電流導通：正向電流主要由漂移區的少數載流子（電子和空穴）濃度梯度驅動，導通電阻（R_on）較低。

• 特點：

• 導通壓降（V_F）隨電流增大而略微上升（如100A時V_F≈1.5V）。

• 功率損耗：P_loss = V_F × I_F（需通過散熱設計控制溫升）。

2. 反向偏置（截止狀態）

• 條件：陽極電壓 < 陰極電壓（反向電壓 V_R < 擊穿電壓 BV）。

• 載流子行為：

1. 耗盡層擴展：P-N結兩側的耗盡層（Depletion Region）擴展，耗盡區內無自由載流子。

2. 高阻抗隔離：漂移區的高電阻特性阻止電流通過，反向電流（I_R）極小（μA級，主要為漏電流）。

• 特點：

• 反向漏電流隨溫度升高而指數增長（需關注高溫下的可靠性）。

• 反向擊穿：當V_R超過BV時，發生雪崩擊穿或齊納擊穿，電流急劇增大（需避免）。

3. 反向恢復過程（快恢復二極管特有）

• 現象：當二極管從正向導通切換到反向截止時，需清除漂移區中存儲的過剩載流子，導致反向電流先增大后減小。

• 關鍵參數：

• 反向恢復時間（t_rr）：從正向電流降至零到反向電流恢復至10%的時間。

• 反向恢復電荷（Q_rr）：反向恢復過程中流過的總電荷，影響開關損耗。

• 優化設計：

• 快恢復二極管通過N+緩沖區加速載流子抽取，降低t_rr（如普通二極管t_rr=500ns，快恢復二極管t_rr=50ns）。

• 肖特基二極管無反向恢復問題，但反向耐壓較低（<200V）。

三、功率二極管的關鍵參數

四、典型應用場景

1. 整流電路：

• 將交流電轉換為直流電（如開關電源、變頻器中的整流橋）。

2. 續流二極管：

• 在電感負載（如電機、繼電器）中，為反向電動勢提供通路，保護開關器件。

3. 電壓鉗位：

• 限制電路中的電壓尖峰（如浪涌保護電路）。

4. 自由輪二極管：

• 在逆變器中，為電感電流提供續流路徑，提高效率。

五、與其他二極管的對比

總結

1. 結構特點：

• 功率二極管通過輕摻雜漂移區承受高電壓，快恢復二極管引入N+緩沖區優化開關特性，封裝設計注重散熱。

2. 工作原理：

• 正向導通時依賴漂移區載流子擴散，反向截止時依賴耗盡層隔離，快恢復二極管需關注反向恢復過程。

3. 應用選擇：

• 根據電壓、電流、頻率和損耗需求選擇合適類型（如高壓整流用普通二極管，高頻開關用快恢復二極管）。

功率二極管的設計需平衡耐壓、導通損耗、開關速度和熱性能，是電力電子系統中的基礎元件。