開關電源中的二極體詳細資料說明
2020-12-04 電子發燒友肖特基二極體和快恢復二極體到底區別在哪？
快恢復二極體從名稱上很好理解，肖特基二極體是以人名命名，由於製造工藝完全不同，是肖特基博士的一個創新。
肖特基二極體是以其發明人肖特基博士（Schottky）命名的，SBD是肖特基勢壘二極體（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結原理製作的，而是利用金屬與半導體接觸形成的金屬－半導體結原理製作的。因此，SBD也稱為金屬－半導體（接觸）二極體或表面勢壘二極體，它是一種熱載流子二極體。
肖特基二極體和快恢復二極體在物理結構上是不一樣的。肖特基二極體的陽極是金屬，陰極是N型半導體；快恢復二極體基本結構仍然是普通的PIN二極體，即陰陽極分別為N和P型半導體。物理結構決定了兩者的電特性。
1.肖特基二極體耐壓較低，通常在200V以下，同等耐壓，相同電流下，肖特基二極體的正向壓降低於快恢復二極體。
2. 肖特基二極體載流子只有電子，理論上沒有反向恢復時間，而快恢復二極體本質上和PIN二極體一樣，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，快恢復二極體的反向漏電流較小，通常在幾uA到幾十uA；肖特基二極體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。
二極體反向恢復時間到底怎樣形成？
反向恢復時間基本的定義是：二極體從導通狀態轉換成關斷狀態所需的時間。
從定義可以看出，二極體導通狀態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模式反向恢復過程中，二極體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體（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二極體。常用的SiC二極體通常是肖特基結構，反向恢復時間遠低於PIN二極體。
產生反向恢復過程的原因——電荷存儲效應
產生上述現象的原因是由於二極體外加正向電壓VF時，載流子不斷擴散而存儲的結果。當外加正向電壓時Ｐ區空穴向Ｎ區擴散，Ｎ區電子向Ｐ區擴散，這樣，不僅使勢壘區（耗盡區）變窄，而且使載流子有相當數量的存儲，在Ｐ區內存儲了電子，而在Ｎ區內存儲了空穴 ，它們都是非平衡少數載流於，如下圖所示。
空穴由Ｐ區擴散到Ｎ區後，並不是立即與Ｎ區中的電子複合而消失，而是在一定的路程LP（擴散長度）內，一方面繼續擴散，一方面與電子複合消失，這樣就會在LP範圍內存儲一定數量的空穴，並建立起一定空穴濃度分布，靠近結邊緣的濃度最大，離結越遠，濃度越小 。正向電流越大，存儲的空穴數目越多，濃度分布的梯度也越大。電子擴散到Ｐ區的情況也類似，下圖為二極體中存儲電荷的分布。
我們把正嚮導通時，非平衡少數載流子積累的現象叫做電荷存儲效應。
當輸入電壓突然由+VF變為-VR時Ｐ區存儲的電子和Ｎ區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區電子被拉回Ｎ區，Ｎ區空穴被拉回Ｐ區，形成反向漂移電流IR，如下圖所示；
②與多數載流子複合。
在這些存儲電荷消失之前，ＰＮ結仍處於正向偏置，即勢壘區仍然很窄，ＰＮ結的電阻仍很小，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。經過時間ts後Ｐ區和Ｎ區所存儲的電荷已顯著減小，勢壘區逐漸變寬，反向電流IR逐漸減小到正常反向飽和電流的數值，經過時間tt，二極體轉為截止。
由上可知，二極體在開關轉換過程中出現的反向恢復過程，實質上由於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。
二極體和一般開關的不同在於,「開」與「關」由所加電壓的極性決定, 而且「開」態有微小的壓降V f,「關」態有微小的電流i0。當電壓由正向變為反向時, 電流並不立刻成為(- i0) , 而是在一段時間ts內, 反向電流始終很大, 二極體並不關斷。經過ts後, 反向電流才逐漸變小, 再經過tf時間, 二極體的電流才成為(- 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。該過程使二極體不能在快速連續脈衝下當做開關使用。如果反向脈衝的持續時間比tr短, 則二極體在正、反向都可導通, 起不到開關作用。
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