功率二極管（Power Diode）是一種分立式電力半導體器件，它的電壓和電流應用范圍遠大于一般的小信號二極管，可用于整流、鉗位、瞬態電壓抑制、續游、吸收、調制、 轉換等。功率二極管分為 PiN (P-intrinsic-N) 二極管和單極型肖特基二極管 (Schottky Barrier Diode, SBD）兩大類型。

1.PiN 二極管

PiN二極管是用電流控制的少子（Minority Carriers)器件，輸入的阻抗較低，驅動功率較大，在導通時 pn 結附近有少子存儲，致使器件的開關速度較慢。硅基 PiN 二極管的工作頻率通常小于1kHz。PiN 二極管的結構及載流子濃度圖如圖 2-59 所示，在重摻雜的p?層及n?層之間增加一個具有特定厚度的低摻雜n型漂移區（或p型漂移區）作為耐壓層。對PiN 二極管施加正向偏置電壓時，大量少子注入漂移區會產生電導調制效應而使通態電阻和電壓降低，故能大幅降低通態功耗。在反向偏置時，p?n結的空間電荷區主要向低摻雜的n型漂移區延伸，反向阻斷電壓則由n型漂移區 的耗盡區來承受，使得 PiN二極管能夠承受極高的阻斷電壓，且有很小的泄漏電流。通常最大的反向工作電壓為雪崩擊穿電壓的 2/3 倍。正向偏置時，p?區向n型漂移區注入大量的空穴，同時n?區也向n型漂移區注入大量的電子，由于注入的非平衡少子濃度遠高于n型漂移區的原摻雜濃度，故使n型漂移區的電阻率下降，導致通態電阻降低以及通態電流增大，這就產生了電導調制效應。此時，大的通態電流不受n型漂移區低摻雜及厚度的限制。

減少 PiN二極管漂移區的厚度可形成穿通型結構，較薄的漂移區可使通態的存儲電荷降低而提高關斷速度。采用擴散金、擴散鉑、質子輻照或電子輻照的方式可以在硅禁帶中引進深能級（Deep Levels）的復合中心，使少子的壽命降低而縮短反向恢復時間，故能提升關斷速度。寬禁帶碳化硅 PiN 二極管不僅具有更高的臨界擊穿電壓，而且其內較薄的漂移區結構可降低反向恢復電流并提高關斷速度，因此在大電流及高于 10kV 領域有很大的應用空間。

2.單極型肖特基二極管

由金屬與硅半導體之間形成的肖特基 ( Schottky）接觸勢壘可產生整流作用，但這種勢壘高度比 pn結的勢壘高度要低，因此，一般小信號肖特基二極管的正向壓降及擊穿電壓較低，而反向泄漏電流則偏大。如圖2-60 所示，在肖特基二極管中增加一個低摻雜濃度的n?漂移區 就形成了一種由肖特基結、n?漂移區和n?陰極區組成的功率肖特基二極管結構。通態壓降由金屬半導體界面壓降、n?漂移區的電阻及襯底端的歐姆壓降決定。由于單極型肖特基二極管是多子(Majority Carriers）器件，沒有載流子存儲及電導調制效應，具有快速的開關特性和較低的通態壓降，故在高頻下工作的功耗較低。在反向偏置時，耐壓特性由空間電荷區向n?漂移區擴展的寬度決定。理論上，最大的電場強度出現在金屬-半導體接觸處，當該處電場強度等于半導體的臨界電場強度時即產生擊穿。但實際上，反向阻斷的擊穿電壓會受限于金屬電極的邊緣擊穿，故采用邊緣終端技術（Edge Termination Technology）可提高功率肖特基二極管的擊穿電壓。通常硅基肖特基二極管的擊穿電壓小于 200V，故硅基肖特基器件適用于高頻領域，而不適用于大電流大電壓領域。寬禁帶 SiC 肖特基二極管 (SiC-SBD）的擊穿電壓已超過 3kV，可適用于較高的功率水平領域，與硅基 IGBT 組成的 Si-IGBT+SiC-SBD 模塊單元能大幅降低功耗。

功率肖特基二極管的泄漏電流包含由耗盡區內空間電荷產生的電流、由中性區內載流子產生的擴散電流，以及在金屬-半導體接觸處產生的熱電子發射電流。其中熱電子發射電流由溫度及肖特基接觸勢壘主導。由于肖特基接觸勢壘高度相對較小，故泄漏電流以熱電子發射電流為主，選用相對較大的肖特基接觸勢壘可以降低泄漏電流，減少阻斷狀態下的功耗，同時可以避免熱奔 (ThermalRunaway）過程而使功率肖特基二極管在較高的環境溫度下工作。

功率二極管是第一代功率半導體器件，它既可以獨立地運用，也可以為所有功率半導體器件做續流及吸收。現代功率半導體器件如 IGBT，至少需要一兩個功率二極管為之續流及吸收。

審核編輯：湯梓紅