2.1.1 PN结与功率二极管工作原理
完全纯净的半导体在常温下可以激发出少量自由电子和相应数量的空穴，这两种不同极性的带电粒子统称为载流子，空穴的出现是半导体区别于导体的一个显著特点。
在纯净半导体内掺入微量杂质如五价元素后，在晶体中出现多余电子使自由电子数远大于空穴数，此类材料称为N型半导体；同样，在半导体中掺入三价元素后，晶体中出现多余空穴，此类材料称为P型半导体。N型半导体中的电子与P型半导体中的空穴称为多数载流子，简称多子，另一类称为少数载流子，简称少子。这种有不同极性载流子参与导电的器件统称为双极型器件。根据掺入杂质的多少可控制多子的浓度。但不管掺入多少杂质，半导体中正、负电荷总量均相等且保持电中性。
现将一种半导体基片（N型或P型）通过扩散或合金工艺，在其上形成相反导电类型，这两部分即形成PN结。PN结在交界面处由于空穴与电子浓度的差异，使载流子从高浓度向低浓度扩散。图2-2（a）所示即为PN结形成原理，P区的空穴扩散到N区，N区中的电子扩散到P区，在交界面出现空间电荷区，形成由N区指向P区的内电场。内电场在阻止多子继续扩散的同时又帮助少子向各自的对方漂移。在一定温度下，扩散与漂移达到动态平衡，空间电荷达到稳定值。
图2-2 PN结形成原理与功率二极管的伏安特性
PN结是半导体器件的核心，掌握PN结的性质是分析器件的基础。PN结的主要特性是单向导电性，当PN结外加正向电压（P正N负）时，外电压产生的外电场削弱内电场，使扩散大于漂移，空间电荷减少，PN结变窄，使正向电流不断流过，称为正向导通。此时PN结表现为低阻，其电压降只有1V左右。PN结加上反向电压（P负N正）时，外电压加强内电场，从而强烈阻止PN结两边的多子扩散，使PN结变宽，仅有少子通过漂移形成极小的反向漏电流，PN结表现为高阻，称为反向阻断，这就是PN结的单向导电特性。由PN结组成的二极管是结构最简单，应用最广的电子器件，是许多其他器件的基本组成部分。
功率二极管是允许流过的电流较大，承受电压较高的二极管，为缩小体积和减少连线，除单管结构外已有模块结构，即把几个管子集成为一个器件。由于流过电流较大，故其引线与焊接电阻的影响较明显。为了提高反向耐压，必须降低掺杂浓度，导致正向压降增大。任何电子器件耐压性能的提高都是牺牲其他性能指标来达到的。
功率二极管本身消耗功率，发热多，使用时必须十分重视管子的散热，应安装传热良好的散热器。目前功率电子器件常用的散热器冷却方式有自冷、风冷、液冷和沸腾冷（热管）四种。功率二极管的正常运行，在很大程度上取决于散热器的合理选配，以及器件与散热器之间的装配质量。
功率二极管的伏安特性如图2-2（b）所示，当外加正向电压大于UTO（门槛电压），即克服PN结内电场后管子才开始导通，正向导通后其压降基本不随电流变化。反向工作时，当反向电压增大到UD（击穿电压），使PN结内电场达到雪崩击穿强度时，反向漏电流IRR剧增，导致二极管击穿损坏。用于工频整流的功率二极管也称为整流管，国产型号为ZP，主要参数说明如下。
（1）额定正向平均电流IF（额定电流）：管子长期运行在规定散热条件下，允许流过工频正弦半波时的最大平均电流，将此电流值称为规定二极管系列的电流等级，即为管子的额定电流。IF受发热限制，因此在使用中按有效值相等来选取管子电流定额。对应额定电流IF，其有效值为1.57IF。
（2）反向重复峰值电压URRM（额定电压）：管子反向能重复施加的最高峰值电压，此值通常为击穿电压UB的2/3。
（3）正向平均电压UF：在规定条件下，管子流过额定正弦半波电流时，管子两端的正向平均电压，也称为管压降，此值比直流压降小。
（4）反向漏电流IRR：对应于反向重复峰值电压时的漏电流。
ZP系列参数列于表2-1中。由于工作于工频，故动态参数不标出。
表2-1 部分功率二极管主要性能参数
功率二极管在电力电子交流电路中起着不同的作用，在交直流变换中作为整流器件，在电感滤波及具有电感元件的电路中作为续流器件，在逆变电路中用于反向充电和能量传输，在各类交流器中用于隔离、钳位、保护和高频整流。随着高频全控型电力电子器件的大量应用，功率二极管的工作频率可高达几百kHz，要求二极管能快速地在导通与阻断之间转换。用在高频场合的二极管称为快恢复二极管，也称开关二极管，对此类二极管的要求是：正向瞬态压降小，反向恢复时间短，反向恢复电荷少以及具有软恢复特性。
开关二极管可分四种工作状态：静态为正向导通和反向阻断，动态为开通过程和关断过程。二极管工作状态转换的特性称为开关特性，现将关断特性与开通特性分析如下。
（1）关断特性。图2-3（a）所示为开关二极管转换电路。当S从“1”位置立即倒向“2”时，由于PN结内存在大量载流子需要排出和复合，所以反向阻断能力的恢复需要经过一段时间，在未恢复阻断之前二极管相当于短路状态。其关断过程如图2-3（b）所示，tf时刻开关S倒向“2”，导通的二极管突加反压UR，正向电流以dif/dt的速率减小，t0时二极管电流降为零，电流变化率的大小为-UR/L，L为电路电感。t1时结内Q1电荷已被抽走，反向电流达最大值IRM，在此以前二极管仍为正偏，t1时刻后管子开始恢复反向阻断，反向恢复电流迅速减小，其dirr/dt值较大，在电感L中产生较高电动势，此电动势与电源电压叠加，使二极管承受很高的反向电压URM。
t2时刻（反向电流降为10%IRM时）后，反向恢复电流i逐渐减小为零，电荷Q2也被抽空，二极管承受静态反向电压UR，关断结束。t2-t0时间定义为反向恢复时间，用trr表示，是开关管的重要参数。反向恢复时间很短的二极管称为快恢复二极管（Fast Recovery Diode，FRD）。
图2-3 二极管转换电路与开关特性
影响反向恢复过程长短的主要因素是反向恢复电荷的大小，其值为
QR小则trr短，这是快恢复二极管与整流管的根本区别。trr与QR的大小随开关前的正向电流、反向电流上升，结温的增加而增加。在反向恢复期间，二极管消耗的能量由QR与电感L的储能来决定。为了减小损耗应选择QR小的二极管。反向恢复电流的下降速度过大，则会使反向恢复电压UM过高，有时会出现强烈振荡致使管子损坏。通常用软、硬恢复的概念来表示di/dt对反向特性的影响，特性的软硬波（亦称柔度系数）Sr定义为
Sr大为软恢复，此类管子的反向峰值电压URM值也小，如Sr=0.3属硬恢复器件，Sr=0.8属软恢复器件。
（2）开通特性。当图2-3（a）中所示开关S从“2”突然倒向“1”时，必须先将原先变厚的空间电荷释放，当正向电压上升到门槛电压UTO以上时，PN结才会有正向电流流过。二极管的开通特性如图2-3（c）所示，在开通过程中，二极管两端会出现几伏到几十伏的正向峰值电压Ufp，它比稳态的管压降大得多，且需要经过开通时间（正向恢复）tfr后才恢复正常，因此限制了正向电流上升率和开关速度。通常正向恢复时间tfr比反向恢复时间trr小。
二极管开通过程中呈现的电感现象（电流滞后电压）除内部结构原因外，还与引线长度、器材封装采用磁性材料等因素有关，因此开通时二极管电流上升率越大，峰值电压Ufp就越高，正向恢复时间tfr也越长。另外，结温升高时Ufp、tfr值也会增大。
目前市场供应的开关二极管除上述PN结构外，还有一种PIN结二极管，其构造是在PN结中夹一层本征半导体。在同样容量时，PIN管具有开通电压低，反向恢复时间短以及耐压高的优点，不足之处是PIN管具有硬恢复特性，而PN结结构的管子具有软恢复特性，可根据不同要求进行选择。还有一类称为肖特基二极管，常用SBD表示，它是通过金属与半导体接触构成的，其反向恢复时间极小且与反向di/dt值无关，正向压降小，典型值为0.55V，但反向漏电流较大，电压不易做高，因此多用在便携式低压整流装置中。
20世纪90年代末出现同步整流，在高频整流时用MOS管代替肖特基二极管。其优点是效率可提高到90%以上，价格比肖特基管下降约50%，管子通态电阻比肖特基管减少1/2～1/3，工作频率可达1MHz，特别适合便携式低电压电源，极有发展前途。几种不同类型的功率二极管参数列于表2-1中。