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二极管简介与其在电源转换电路的应用实例   【作者： 陳彥旭】2001年11月05日 星期一

浏览人次：【18772】 曾经有客户问笔者，为什么它照着应用线路兜出来的DC/DC转换电路效率不高，效能也没有书上说的那么好。经过一番询问，原来是他身边只有1N4148二极管，虽然他也有1N4001，不过他觉得1N4001是用来做全波或是桥是整流时用的。在笔者教他把1N4148换成schottky后，效率立刻抬高到80%，完全解决了他的问题。 二极管基本原理 简单的来说，二极管就是只允许电流单向导通。每一本电子教科书都把讨论二极管的章节列在第一或第二章，可见这个小装置虽不见得简简单单，但是肯定相当关键与基本。 由相同的基材（硅或锗）所参杂出来的p型、n型半导体材料，将其结合在一起就成了基本的半导体二极管了。(图一)所示为基本二极管接面构造。 《图一 基本二极管接面构造》 当p与n接合的瞬间，在接合面附近的电子与电洞将结合（Combine）在一起而使得接面附近成为缺乏载子的区域。且由于电子与电洞的复合也使得接面附近留下了正负离子，这些区域由于缺乏离子，因此称为空乏区（Depletion region）。 一旦有电压外加于p-n两端，电源正端与n型材料相接，p型接负端即所谓的逆向偏压。则此时大量自由电子趋向于外加电压的正端使得n型材料在空乏区中的正离子数增加，同时p型材料内的负离子也增加，使得空乏区扩大。 相反于逆向偏压的接法，若将电源正端与p型材料相接，n型接负端即形成顺向偏压。此时少数载子流的大小并未改变，但是因为大量的多数载子流过p、n接面而使得空乏区宽度变小。(图二)所示为p、n接面在顺向偏压以及逆向偏压时的物理现象。 《图二 顺逆向偏压时的物理现象》 二极管的特性 介绍完二极管的物理构造后，我们来看看实际二极管的一些特性： 非理想特性 应该说近乎理想，但不是那么完美。在(图三)里，我们能看到什么是完美的二极管。但现实情况若也是这样，那可就省了很多任务程师。若在(图四)的二极管两端，左正右负的加上电压，则讨论的特性曲线即为图三中垂直轴右边及上面的部分。若将所加的电压极性反转，则所谈的特性曲线就是垂直轴左边及下面的部分。总之一句，方向对时就像没这东西存在，但方向不对了可就过也过不去了，一点也马虎不得。 有趣的是，事实上的二极管的特性曲线是像图四里展现的。看起来与图三倒也十分神似。我们可以清楚的看到在第一象限内，电压须突破0.7V至2.5V的一个顺向切入电压Vf后，才开始有电流流过，但电流也并非呈90度斜率上升，而是一条类似对数的上升线。而在第三象限内，二极管并非完全阻隔反转的电压，而是流过有小小的漏电流Ir，直到反向电压到达一定大小时，因为少数载子被加速到具有充分的速度可以经由撞击游离而释放出新的载子，新的载子又形成相同状态使得少数载子急遽增加而产生大量电流，称为累增电流（avalanche current）。 《图四 实际的二极管特性表现》

逆向回复时间（reverse recovery time）

这是一个需要想象空间的参数，除了电力相关范围，不是每个应用都得考虑到这一点。试着回想我们之前提到过的，当顺向偏压的情况之下有大量的电子自n型材料进入p型材料，同时伴有大量电洞进入n型区，而构成电流流通的条件，进入n型的电洞与进入p型的电子分别在料中形成大量的少数载子。若此时外加电压极性变换形成逆向偏压，则情况可就需要一点想象了。当然我们希望二极管本身可以立刻从导通的状态反转成为截止状态，不过在截止条件成立的瞬间，在p、n材料里各还有大量的少数载子无法解决。所以它只能如(图五)的方式来反向。

《图五 逆向回复Reverse Recovery示意图》

t0到t1之间为二极管的储存时间，使得少数载子回到对应的材料内成为多数载子，过了储存时间后t1到t2区间称为回复时间，主要是因为二极管在t1的当时还是呈现短路状态，待回复至If≒0时，即t2的时候才算完全逆向关闭。Qrr表示在水平轴下方所围成的三角形面积，是为trr（t2-t0）与Irr乘积的1/2，也代表这一段区间内所积存的电荷量多寡。

这里的结论我们先保留，在后面所提到的电源转换领域里是相当重要的一项参数。

曾纳崩溃（zener breakdown）

如之前二极管的非理想特性里提到，当逆向偏压不断加大到达其崩溃电压时，产生大量电流，这一项参数就是峰值反向电压PIV（peak reverse voltage）。这里有一个观念要澄清一下，二极管崩溃并不代表损毁，只是崩溃后带来的热积存往往造成二极管的折损。

崩溃的电压大小与p、n材料中的参杂浓度有关，因此只要提高材料中参杂的浓度就可以使的崩溃区向垂直轴靠近。

二极管在电源转换领域的应用

若是现实世界里单靠一种二极管就可以满足所有应用的需求，想必是没指望了。君不见有人拿1N4148要来为电源电路做整流，此举无可厚非，因为有时运气好也可以动作，但是我们更想知道的是为什么可以，有什么风险？

与普通二极管有点不同，应用于电源相关领域里的二极管需要一些特别的电器特性：

˙高逆向崩溃（Breakdown）电压以及高的电流承载（Current carrying capability）能力

˙轻微的逆向回复（Reverse recovery）特性

˙极短的开关切换延迟以及电流上升下降时间

˙极低的导通压降（Voltage drop）

以上的这一些特性还是看电路设计者如何去使用，需求在哪里。以下介绍在开关式电源转换器（switching mode power supply）里常用的萧特基（schottky）二极管。

萧特基（schottky）二极管

Schottky二极管的结构与一般普通p、n接面二极管是全然不同的。它的内部是金属半导体接面所制成，半导体部分用n型材质，而金属部分则有钼、铂、铬或是钨都可以采用。

在形成schottky二极管接面的两种材料内，电子都是多数载子，而在金属内部谈少数载子是没有意义的。当接合面形成时，n型半导体内的电子立即流入邻近的金属内，建立了大量的多数载子流。相较于传统的p、n接面二极管，注入到邻近材料去的不再是少数载子，而是以电子为主金属材料。因此schottky二极管是完全以多数载子来完成传导的，而这样的好处在于几乎没有逆向回复的问题。以下图八清楚的比较了传统pn接面二极管、高速二极管以及schottky二极管之间逆向回复现象。

假设如(图六)里的普通二极管逆向回复时间就要25us（10E-6）以上，大约只可以切换至20KHz左右的频率；好一点的高速二极管大约是200KHz；而schottky二极管则可以到MHz等级尚还游刃有余。

《图六 Schottky二极管构造图》

普通二极管vs. schottky二极管

一般的应用里时常会遭遇到普通二极管与schottky的抉择，篇幅因素我们只举一个一个便携设备所应用的升压线路，普通二极管与schottky的表现则高下立见。

(图七)是一个在各种便携设备里应用相当广泛的升压线路，AIC1639，由国内颇负盛名的模拟IC设计公司所发表的一款针对单颗或双颗电池输入的解决方案，PFM控制方法使装置在待命时期仍然相当省电，100KHz切换频率，以2.0V升到3.3V为例，效率都维持在83%的水平。

以普通二极管取代schottky二极管，不但输出电压的负载调整率（load regulation）变差，效率更是一举下滑约15%，这样的影响不可谓不大。但是出总有因，到底这15%的效率哪而去了？以下是我们的分析；参考(图八)。

《图八 桥式整流后的逆向回复现象》