Силовые диоды p+-n-n+: Физика работы, структура и расчет параметров

Содержание страницы

1. Конструкция и физическая структура силового диода
2. Работа диода в режиме обратного смещения
3. Прямой режим: Эффект двойной инжекции
4. Динамические характеристики и тепловые режимы
5. Сравнительная таблица типов силовых диодов
6. Преимущества и недостатки структуры p-n-n+
7. Интересные факты о силовых диодах
8. FAQ: Часто задаваемые вопросы
Заключение

Что такое современный силовой диод? Это фундаментальный «кирпич» в здании силовой электроники, устройство, способное коммутировать токи в тысячи ампер и блокировать напряжения в несколько киловольт. В отличие от маломощных сигнальных диодов, силовые приборы имеют сложную многослойную архитектуру. Рассматриваемая в данной статье структура \( p^+ \)—\( n^- \)—\( n^+ \) является стандартом для высоковольтных выпрямительных диодов.

Историческая справка: История развития силовых ключей началась в начале XX века с ртутных выпрямителей (игнитронов) и вакуумных ламп. Эра твердотельной электроники стартовала в 1950-х годах с появлением германиевых приборов, однако настоящий прорыв произошел с переходом на монокристаллический кремний. Именно кремний позволил создать структуры с высокой температурной стабильностью и пробивным напряжением. Внедрение технологии создания p-i-n структур (где i — intrinsic, или слаболегированный слой) позволило оптимизировать распределение электрического поля и существенно уменьшить габариты приборов при сохранении высокой мощности.

1. Конструкция и физическая структура силового диода

Основой современного силового диода является монокристаллическая кремниевая пластина. В отличие от простейшей \( p-n \)-структуры, силовой прибор модифицирован для работы с высокими напряжениями. Его архитектура описывается формулой \( p^+ \)—\( n^- \)—\( n^+ \). Разберем детально каждый слой этой «сэндвич-структуры», представленной на рисунке 1.

Рис. 1. Обозначение и физическая структура силового диода. А — Анод (со стороны p⁺-слоя), К — Катод (со стороны n⁺-слоя). Центральная область n^– является базой диода.

1.1. Базовая область (n^–-слой)

Сердцем диода является средний слой, обозначенный индексом \( n^- \). Это так называемая база. Физически она представляет собой кремниевый полупроводник с электронной электропроводностью, но с очень низкой концентрацией легирующей примеси (доноров).

Концентрация донорной примеси \( N_d \) в базе составляет величину порядка:

N_d \approx (5 \div 7) \cdot 10^{13} \, \text{см}^{-3}

Важно понимать: Индекс «–» (минус) в обозначении \( n^- \) указывает не на отрицательный заряд, а на низкую степень легирования (высокоомный слой). Именно толщина и удельное сопротивление этого слоя определяют способность диода выдерживать высокое обратное напряжение без пробоя.

1.2. Эмиттерные слои (p⁺ и n⁺)

Внешние слои структуры, обозначенные индексом «+», являются сильнолегированными областями. Их называют эмиттерами, так как их основная функция — инжекция (впрыскивание) носителей заряда в базу при прямом включении.

Слой p⁺ (Анод): Область с дырочной проводимостью и очень высокой концентрацией акцепторов (обычно бор или алюминий). Концентрация может достигать \( 10^{19} \, \text{см}^{-3} \).
Слой n⁺ (Катод): Область с электронной проводимостью и высокой концентрацией доноров (фосфор или мышьяк).

2. Работа диода в режиме обратного смещения

При подаче на анод (A) минуса, а на катод (K) плюса, диод переходит в закрытое состояние. В этом режиме критически важным становится распределение электрического поля внутри кристалла.

2.1. Распределение электрического поля

В классической \( p^+ \)—\( n^- \)-структуре (без \( n^+ \) буфера) электрическое поле имеет треугольную форму, спадая от перехода вглубь базы. Однако в структуре \( p^+ \)—\( n^- \)—\( n^+ \) ситуация иная.

Внешнее электрическое поле сосредотачивается почти полностью в высокоомной базе. Благодаря наличию сильнолегированного запирающего слоя \( n^+ \), электрическое поле не «упирается» в контакт, а ограничивается внутри базы, приобретая форму трапеции, близкую к прямоугольной.

Аналогия: Представьте, что электрическое поле — это вода, налитая в сосуд (базу). В обычном диоде дно сосуда наклонное (треугольная форма), и объем воды (напряжение), который можно налить, ограничен высотой стенки. В диоде с \( n^+ \)-слоем дно плоское (прямоугольная форма). При той же высоте стенок (напряженности поля) в такой сосуд помещается вдвое больше воды (напряжения).

Это конструктивное решение позволяет увеличить рабочее напряжение силового диода практически вдвое по сравнению с типовой структурой без \( n^+ \)-слоя при той же толщине базы.

2.2. Расчет параметров блокирующей способности

Максимальное значение обратного рабочего напряжения ограничивается физическим явлением лавинного пробоя \( U_{BR} \). При проектировании и выборе диодов всегда используется коэффициент запаса \( k_0 \).

U_{RRM} = k_0 \cdot U_{BR}, \quad (1)

Где:

\( U_{RRM} \) — максимально допустимое повторяющееся импульсное обратное напряжение (согласно ГОСТ 20859.1);

\( k_0 \) — коэффициент запаса, который обычно принимается равным 0,75.

2.3. Геометрические размеры базы

Толщина слоя объемного заряда (ОПЗ) \( W_0 \) — это область, где действует сильное электрическое поле. В высоковольтных диодах она может достигать сотен микрометров. Предельное значение толщины базы можно оценить через удельное сопротивление материала \( \rho_n \):

W_0 \approx 0,52 \cdot \rho_n \cdot \sqrt{U_{BR}}, \quad (2)

Где \( \rho_n \) — удельное сопротивление \( n^- \)-слоя (Ом·см).

Технологическое ограничение: Кремниевые пластины очень хрупкие. Если расчетная толщина \( W_0 \) получается менее 150 мкм, изготовить такую пластину сложно — она сломается при обработке. Поэтому минимальную толщину \( n^- \)-слоя конструктивно выбирают не менее 150 мкм для обеспечения механической прочности. Если же расчетное \( W_0 > 150 \) мкм, то толщину выбирают равной расчетной.

Полная толщина кремниевой структуры \( W_{Si} \) складывается из толщины базы и глубин диффузии \( p^+ \) и \( n^+ \) слоев:

W_{Si} = W_{n^-} + w_{p^+-n^-} + w_{n^+-n^-}, \quad (3)

Типовые значения глубины залегания переходов в мощных диодах:

\( w_{p^+-n^-} \approx 75 \div 125 \) мкм;
\( w_{n^+-n^-} \approx 30 \div 50 \) мкм.

Пример расчета №1

Рассмотрим силовой диод класса 16 (рабочее напряжение 1600 В).

Напряжение лавинного пробоя для него должно быть:
\( U_{BR} = 1600 / 0.75 \approx 2130 \) В.

Допустим, используется кремний с удельным сопротивлением \( \rho_n \approx 80 \) Ом·см.

Тогда толщина базовой области \( W_0 \) должна быть не менее расчетной по формуле (2). С учетом запасов и технологии, общая толщина кремниевой пластины \( W_{Si} \) выбирается не менее 300 мкм.

3. Прямой режим: Эффект двойной инжекции

При подаче прямого напряжения (плюс на анод, минус на катод) диод открывается. В этот момент внутри кристалла происходят сложные физические процессы, превращающие высокоомный изолятор (базу) в отличный проводник.

3.1. Механизм проводимости

1. Инжекция дырок: \( p^+ \)—\( n^- \)-переход смещается в прямом направлении. Из анода (\( p^+ \)) в базу начинается массированный впрыск (инжекция) дырок.

2. Дрейф: Дырки заполняют базу и движутся к катоду (\( n^+ \)).

3. Барьер: Подходя к катоду, дырки встречают потенциальный барьер \( n^+ \)—\( n^- \)-перехода. Уровень легирования катода подобран так, что дырки не могут его преодолеть. Они скапливаются у границы.

4. Компенсация заряда: Скопление положительных дырок создает положительный заряд. Чтобы соблюсти принцип электронейтральности, из катода (\( n^+ \)) навстречу им вытягиваются электроны.

Этот процесс называется двойной инжекцией. Базовый слой \( n^- \) заполняется носителями заряда с двух сторон одновременно. Образуется электронно-дырочная плазма высокой концентрации.

3.2. Расчет прямого падения напряжения

Падение напряжения на открытом диоде складывается из падения напряжения на переходах и падения напряжения в толще базы.

А) Напряжение на переходах

Суммарное падение на p-n переходах описывается логарифмической зависимостью:

U_{p-n} \approx 2\phi_T \cdot \ln\left( \frac{I_F}{I_S} \right), \quad (4)

Где:

\( \phi_T \) — тепловой потенциал (\( \approx 0,025 \) В при 300 К);

\( I_F \) — прямой ток анода;

\( I_S \) — ток насыщения (для кремния \( 10^{-6} \div 10^{-12} \) А).

Б) Напряжение в базе (Модуляция проводимости)

Благодаря двойной инжекции сопротивление базы резко падает (модулируется). При умеренных токах падение напряжения в базе практически не зависит от тока и описывается формулой:

U_{n^-} \approx \frac{1,5\phi_T \cdot \exp\left( \frac{W_{n^-}}{2L_p} \right)}{\dots} \quad \text{(упрощенно)}

Более точная оценка для широкого диапазона токов, учитывающая эффект электронно-дырочного рассеяния (ЭДР):

При плотностях тока \( 100 \div 300 \, \text{А/см}^2 \) концентрация плазмы достигает \( (7 \div 8) \cdot 10^{16} \, \text{см}^{-3} \). Носители начинают сталкиваться друг с другом, что снижает их подвижность. Проводимость перестает расти пропорционально току, и появляется омическая составляющая.

В) Итоговая формула ВАХ

Полное прямое падение напряжения \( U_F \) с учетом всех эффектов:

U_F = 2\phi_T \ln\left( \frac{I_F \cdot W_{n^-}}{I_S \cdot 16 S} \right) + 1,5\phi_T \exp\left( \frac{W_{n^-}}{2,4 L_p} \right) + I_F \cdot R_{base}, \quad (5)

В упрощенном виде для инженерных расчетов часто применяют выражение:

U_F \approx A + B \cdot \ln(I_F) + I_F \cdot r_{din}

Пример расчета №2

Рассчитаем падение напряжения для мощного диода со следующими параметрами:

Активная площадь кристалла \( S = 1 \, \text{см}^2 \);
Толщина базы \( W_{n^-} = 250 \) мкм;
Время жизни неосновных носителей \( \tau = 10 \) мкс;
Ток насыщения \( I_S \approx 3 \cdot 10^{-6} \) А;
Диффузионная длина \( L_p \approx 110 \) мкм.

Результаты:

1. При токе \( I_F = 100 \) А расчетное падение напряжения \( U_F \approx 1,12 \) В.

2. При увеличении тока до \( I_F = 300 \) А (в 3 раза), напряжение возрастает лишь до \( 1,5 \) В.

Это демонстрирует высокую эффективность модуляции проводимости базы.

4. Динамические характеристики и тепловые режимы

4.1. Обратное восстановление

Критически важным параметром, не упомянутым в простейших моделях, является время обратного восстановления (\( t_{rr} \)). Когда диод переключается из проводящего состояния в закрытое, накопленная в базе электронно-дырочная плазма не может исчезнуть мгновенно.

Пока заряды рассасываются, через диод течет обратный ток восстановления. Для силовых диодов этот ток может достигать сотен ампер в импульсе, создавая перенапряжения и нагрев.

В зависимости от характера спада обратного тока диоды делятся на:

Soft Recovery (Мягкое восстановление) — плавный спад, меньше помех.
Hard Recovery (Жесткое восстановление) — резкий обрыв тока, опасные выбросы напряжения.

4.2. Тепловое сопротивление

Силовой диод рассеивает значительную мощность \( P = U_F \cdot I_{F(av)} \). Для отвода тепла используются массивные медные основания и охладители. Ключевым параметром является тепловое сопротивление «переход-корпус» \( R_{th(j-c)} \), которое должно быть минимизировано для предотвращения теплового пробоя.

5. Сравнительная таблица типов силовых диодов

Тип диода	Структура	Прямое падение (V)	Время восстановления (trr)	Основное применение
Стандартный (Standard Recovery)	\( p^+-n^—n^+ \)	Низкое (1.0 — 1.2 В)	Длительное (> 10 мкс)	Выпрямление 50/60 Гц, сварка, гальваника
Быстровосстанавливающийся (Fast Recovery)	\( p^+-n^—n^+ \) (легирован золотом/платиной)	Среднее (1.5 — 2.5 В)	Короткое (0.1 — 5 мкс)	Инверторы, импульсные источники питания
Диод Шоттки (HV Schottky)	Металл-Полупроводник	Очень низкое (0.6 — 0.9 В)	Практически 0 (нет накопления заряда)	Низковольтные высокочастотные преобразователи

6. Преимущества и недостатки структуры p-n-n+

Преимущества:

Высокое пробивное напряжение (до 6-8 кВ на один элемент) благодаря «прямоугольному» полю.
Низкое прямое падение напряжения при больших токах за счет эффекта двойной инжекции.
Способность выдерживать огромные импульсные перегрузки (ударный ток).
Низкая стоимость и отработанная технология производства.

Недостатки:

Значительное время выключения (инерционность) из-за необходимости рассасывания накопленного заряда в широкой базе.
Ограничение по частоте работы (обычно до 1-5 кГц для стандартных серий).
Зависимость параметров от температуры (рост обратного тока при нагреве).

7. Интересные факты о силовых диодах

Чистота. Для производства баз силовых диодов используется «зонно-очищенный» кремний (FZ-Silicon), чистота которого достигает «девяти девяток» (99.9999999%).
Размеры. Самые мощные таблеточные диоды имеют диаметр кремниевой пластины более 100 мм и способны пропускать ток свыше 10 000 Ампер в постоянном режиме.
Золото. Чтобы сделать диод «быстрым», в кремний специально вводят атомы золота или платины. Они работают как ловушки для носителей заряда, ускоряя их рекомбинацию.
Лавина. Лавинный диод не боится перенапряжения. Он спроектирован так, чтобы пробой происходил равномерно по всей площади кристалла, рассеивая огромную энергию импульса без разрушения.
Космос. Силовые диоды для космических аппаратов испытывают на радиационную стойкость, так как космическое излучение может необратимо изменить структуру кристаллической решетки базы \( n^- \).
Эволюция. Первые мощные германиевые диоды выдерживали температуру лишь до 75°C. Современные кремниевые карбидные (SiC) диоды могут работать при температурах выше 200°C.
Сварка. Сварочный диод — это особый подвид, оптимизированный не столько под высокое напряжение, сколько под минимальное сопротивление и огромные токи (для контактной сварки).

8. FAQ: Часто задаваемые вопросы

1. Почему нельзя использовать обычный p-n переход для высоких напряжений?

В обычном p-n переходе электрическое поле спадает слишком быстро. Чтобы выдержать высокое напряжение, пришлось бы делать базу невероятно толстой, что привело бы к огромному падению напряжения и нагреву в прямом направлении. Структура \( n^- \)—\( n^+ \) решает эту проблему.

2. Что такое «класс» силового диода?

Класс диода — это условное обозначение его повторяющегося импульсного обратного напряжения (\( U_{RRM} \)), деленного на 100. Например, диод 24-го класса рассчитан на 2400 Вольт.

3. Зачем нужно шунтировать диоды при последовательном соединении?

При последовательном соединении из-за разброса токов утечки и зарядов обратного восстановления напряжение может распределиться неравномерно, что приведет к пробою одного из диодов. Резисторы выравнивают статическое напряжение, а конденсаторы — динамическое.

4. Как проверить силовой диод мультиметром?

Обычный мультиметр может проверить только целостность перехода (прозвонка). Однако он не покажет способность диода держать высокое напряжение или его поведение под током 1000 А. Для полноценной проверки нужны специальные стенды.

5. Влияет ли температура на падение напряжения?

Да. У силовых диодов температурный коэффициент напряжения (ТКН) сложный. При малых токах он отрицательный (напряжение падает с нагревом), а при очень больших токах — положительный (напряжение растет). Это помогает диодам не «уходить в разнос» при параллельном включении на больших токах.

Заключение

Силовые диоды с структурой \( p^+ \)—\( n^- \)—\( n^+ \) представляют собой вершину эволюции классических кремниевых выпрямителей. Использование слаболегированной базы в сочетании с буферным слоем позволило достичь оптимального баланса между высоким пробивным напряжением и низкими потерями проводимости. Понимание физики двойной инжекции и процессов в слое объемного заряда необходимо любому инженеру, работающему с преобразовательной техникой, для грамотного выбора компонентов и обеспечения надежности оборудования. Несмотря на появление новых материалов (SiC, GaN), классический кремниевый диод остается самым массовым и экономически эффективным решением в мегаваттном диапазоне мощностей.

Нормативная база

ГОСТ 20859.1-89 — Приборы полупроводниковые силовые. Термины и определения.
ГОСТ 11630-84 — Приборы полупроводниковые. Общие технические условия.
ГОСТ 24461-80 — Приборы полупроводниковые силовые. Методы измерений и испытаний.
IEC 60747-2 — Международный стандарт для дискретных полупроводниковых приборов (выпрямительные диоды).

Список рекомендуемой литературы

Флоренцев С.Н. «Силовая электроника. Современное состояние и перспективы развития».
Семенов Б.Ю. «Силовая электроника: от простого к сложному».
Чебовский О.Г., Моисеев Л.Г., Недошивин Р.П. «Силовые полупроводниковые приборы: Справочник».