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二極體簡介與其在電源轉換電路的應用實例   【作者： 陳彥旭】   2001年11月05日 星期一

瀏覽人次：【20315】 曾經有客戶問筆者，為什麼它照著應用線路兜出來的DC/DC轉換電路效率不高，效能也沒有書上說的那麼好。經過一番詢問，原來是他身邊只有1N4148二極體，雖然他也有1N4001，不過他覺得1N4001是用來做全波或是橋是整流時用的。在筆者教他把1N4148換成schottky後，效率立刻抬高到80%，完全解決了他的問題。 二極體基本原理 簡單的來說，二極體就是只允許電流單向導通。每一本電子教科書都把討論二極體的章節列在第一或第二章，可見這個小裝置雖不見得簡簡單單，但是肯定相當關鍵與基本。 由相同的基材（矽或鍺）所參雜出來的p型、n型半導體材料，將其結合在一起就成了基本的半導體二極體了。(圖一)所示為基本二極體接面構造。 《圖一 基本二極體接面構造》 當p與n接合的瞬間，在接合面附近的電子與電洞將結合（Combine）在一起而使得接面附近成為缺乏載子的區域。且由於電子與電洞的復合也使得接面附近留下了正負離子，這些區域由於缺乏離子，因此稱為空乏區（Depletion region）。 一旦有電壓外加於p-n兩端，電源正端與n型材料相接，p型接負端即所謂的逆向偏壓。則此時大量自由電子趨向於外加電壓的正端使得n型材料在空乏區中的正離子數增加，同時p型材料內的負離子也增加，使得空乏區擴大。 相反於逆向偏壓的接法，若將電源正端與p型材料相接，n型接負端即形成順向偏壓。此時少數載子流的大小並未改變，但是因為大量的多數載子流過p、n接面而使得空乏區寬度變小。(圖二)所示為p、n接面在順向偏壓以及逆向偏壓時的物理現象。 《圖二 順逆向偏壓時的物理現象》 二極體的特性 介紹完二極體的物理構造後，我們來看看實際二極體的一些特性： 非理想特性 應該說近乎理想，但不是那麼完美。在(圖三)裡，我們能看到什麼是完美的二極體。但現實情況若也是這樣，那可就省了很多工程師。若在(圖四)的二極體兩端，左正右負的加上電壓，則討論的特性曲線即為圖三中垂直軸右邊及上面的部分。若將所加的電壓極性反轉，則所談的特性曲線就是垂直軸左邊及下面的部分。總之一句，方向對時就像沒這東西存在，但方向不對了可就過也過不去了，一點也馬虎不得。 有趣的是，事實上的二極體的特性曲線是像圖四裡展現的。看起來與圖三倒也十分神似。我們可以清楚的看到在第一象限內，電壓須突破0.7V至2.5V的一個順向切入電壓Vf後，才開始有電流流過，但電流也並非呈90度斜率上升，而是一條類似對數的上升線。而在第三象限內，二極體並非完全阻隔反轉的電壓，而是流過有小小的漏電流Ir，直到反向電壓到達一定大小時，因為少數載子被加速到具有充分的速度可以經由撞擊游離而釋放出新的載子，新的載子又形成相同狀態使得少數載子急遽增加而產生大量電流，稱為累增電流（avalanche current）。 《圖四 實際的二極體特性表現》

逆向回復時間（reverse recovery time）

這是一個需要想像空間的參數，除了電力相關範圍，不是每個應用都得考慮到這一點。試著回想我們之前提到過的，當順向偏壓的情況之下有大量的電子自n型材料進入p型材料，同時伴有大量電洞進入n型區，而構成電流流通的條件，進入n型的電洞與進入p型的電子分別在料中形成大量的少數載子。若此時外加電壓極性變換形成逆向偏壓，則情況可就需要一點想像了。當然我們希望二極體本身可以立刻從導通的狀態反轉成為截止狀態，不過在截止條件成立的瞬間，在p、n材料裡各還有大量的少數載子無法解決。所以它只能如(圖五)的方式來反向。

《圖五 逆向回復Reverse Recovery示意圖》

t0到t1之間為二極體的儲存時間，使得少數載子回到對應的材料內成為多數載子，過了儲存時間後t1到t2區間稱為回復時間，主要是因為二極體在t1的當時還是呈現短路狀態，待回復至If≒0時，即t2的時候才算完全逆向關閉。Qrr表示在水平軸下方所圍成的三角形面積，是為trr（t2-t0）與Irr乘積的1/2，也代表這一段區間內所積存的電荷量多寡。

這裡的結論我們先保留，在後面所提到的電源轉換領域裡是相當重要的一項參數。

曾納崩潰（zener breakdown）

如之前二極體的非理想特性裡提到，當逆向偏壓不斷加大到達其崩潰電壓時，產生大量電流，這一項參數就是峰值反向電壓PIV（peak reverse voltage）。這裡有一個觀念要澄清一下，二極體崩潰並不代表損毀，只是崩潰後帶來的熱積存往往造成二極體的折損。

崩潰的電壓大小與p、n材料中的參雜濃度有關，因此只要提高材料中參雜的濃度就可以使的崩潰區向垂直軸靠近。

二極體在電源轉換領域的應用

若是現實世界裡單靠一種二極體就可以滿足所有應用的需求，想必是沒指望了。君不見有人拿1N4148要來為電源電路做整流，此舉無可厚非，因為有時運氣好也可以動作，但是我們更想知道的是為什麼可以，有什麼風險？

與普通二極體有點不同，應用於電源相關領域裡的二極體需要一些特別的電器特性：

˙高逆向崩潰（Breakdown）電壓以及高的電流承載（Current carrying capability）能力

˙輕微的逆向回復（Reverse recovery）特性

˙極短的開關切換延遲以及電流上升下降時間

˙極低的導通壓降（Voltage drop）

以上的這一些特性還是看電路設計者如何去使用，需求在哪裡。以下介紹在開關式電源轉換器（switching mode power supply）裡常用的蕭特基（schottky）二極體。

蕭特基（schottky）二極體

Schottky二極體的結構與一般普通p、n接面二極體是全然不同的。它的內部是金屬半導體接面所製成，半導體部分用n型材質，而金屬部分則有鉬、鉑、鉻或是鎢都可以採用。

在形成schottky二極體接面的兩種材料內，電子都是多數載子，而在金屬內部談少數載子是沒有意義的。當接合面形成時，n型半導體內的電子立即流入鄰近的金屬內，建立了大量的多數載子流。相較於傳統的p、n接面二極體，注入到鄰近材料去的不再是少數載子，而是以電子為主金屬材料。因此schottky二極體是完全以多數載子來完成傳導的，而這樣的好處在於幾乎沒有逆向回復的問題。以下圖八清楚的比較了傳統pn接面二極體、高速二極體以及schottky二極體之間逆向回復現象。

假設如(圖六)裡的普通二極體逆向回復時間就要25us（10E-6）以上，大約只可以切換至20KHz左右的頻率；好一點的高速二極體大約是200KHz；而schottky二極體則可以到MHz等級尚還遊刃有餘。

《圖六 Schottky二極體構造圖》

普通二極體vs. schottky二極體

一般的應用裡時常會遭遇到普通二極體與schottky的抉擇，篇幅因素我們只舉一個一個可攜式裝置所應用的昇壓線路，普通二極體與schottky的表現則高下立見。

(圖七)是一個在各種可攜式裝置裡應用相當廣泛的昇壓線路，AIC1639，由國內頗負盛名的類比IC設計公司所發表的一款針對單顆或雙顆電池輸入的解決方案，PFM控制方法使裝置在待命時期仍然相當省電，100KHz切換頻率，以2.0V升到3.3V為例，效率都維持在83%的水準。

以普通二極體取代schottky二極體，不但輸出電壓的負載調整率（load regulation）變差，效率更是一舉下滑約15%，這樣的影響不可謂不大。但是出總有因，到底這15%的效率哪而去了？以下是我們的分析；參考(圖八)。

《圖八 橋式整流後的逆向回復現象》