Was sind Leistungsdioden?

Was sind Leistungsdioden?

Leistungsdiode

Eine Leistungsdiode ist eine Diode, die in Leistungselektronik-Schaltungen verwendet wird und höhere Ströme als normale Dioden verarbeiten kann. Sie hat zwei Anschlüsse und leitet den Strom in einer Richtung, mit einer Bauweise, die für Anwendungen mit höherer Leistung ausgelegt ist.

Um Leistungsdioden besser zu verstehen, schauen wir uns an, wie eine Standarddiode funktioniert. Eine Diode ist das einfachste Halbleiterbauelement, bestehend aus zwei Schichten, zwei Anschlüssen und einer Übergangsstelle.

Normale Signal-Dioden haben einen Übergang, der durch einen p- und n-leitenden Halbleiter gebildet wird. Der Anschluss, der den p-leitenden Teil verbindet, heißt Anode, und der Anschluss, der den n-leitenden Teil verbindet, heißt Kathode.

Die folgende Abbildung zeigt die Struktur einer normalen Diode und ihr Symbol.

Leistungsdioden ähneln normalen Dioden, unterscheiden sich aber leicht in ihrer Bauweise.

Bei normalen Dioden (auch als "Signal-Diode" bekannt) ist die Dotierung beider P- und N-Seiten gleich, wodurch ein PN-Übergang entsteht. Bei Leistungsdioden hingegen besteht der Übergang zwischen einem stark dotierten P und einem schwach dotierten N+ - die Schicht, die epitaktisch auf einer stark dotierten N-Schicht gewachsen ist. Die Struktur sieht daher wie in der folgenden Abbildung dargestellt aus.

Die N– Schicht ist das Schlüsselelement der Leistungsdiode, das sie für Anwendungen mit hoher Leistung geeignet macht. Diese Schicht ist sehr schwach dotiert, fast intrinsisch, weshalb das Bauteil auch als PIN-Diode bezeichnet wird, wobei i für intrinsisch steht.

Wie in der obigen Abbildung zu sehen ist, wird die Netto-Ladungsneutralität der Raumladungszone wie bei der Signal-Diode aufrechterhalten, jedoch ist die Dicke der Raumladungszone sehr hoch und tief in die N– Zone eindringend.

Dies liegt an der geringen Dotierungskonzentration, da wir wissen, dass die Dicke der Raumladungszone mit einer Abnahme der Dotierungskonzentration zunimmt.

Diese erhöhte Dicke der Depletionszone oder der Raumladungszone ermöglicht es der Diode, größere rückwärts polarisierte Spannungen abzublocken und somit eine höhere Zerspannung zu haben.

Allerdings führt die Hinzufügung dieser N– Schicht zu einem signifikanten Anstieg des ohmschen Widerstands der Diode, was während der Vorwärtsleitung zu mehr Wärmegeneration führt. Daher kommen Leistungsdioden mit verschiedenen Montagearten zur besseren Wärmeableitung.

Bedeutung der N– Schicht

Die N– Schicht in Leistungsdioden ist schwach dotiert, erhöht die Dicke der Raumladungszone und erlaubt höhere rückwärts polarisierte Spannungen.

U-I-Kennlinien

Die folgende Abbildung zeigt die U-I-Kennlinien einer Leistungsdiode, die fast identisch mit denen einer Signal-Diode sind.

Bei Signal-Dioden nimmt der Strom im Vorwärtsbereich exponentiell zu, während bei Leistungsdioden hohe Vorwärtsströme zu hohen ohmschen Spannungsabfällen führen, die das exponentielle Wachstum dominieren, und die Kurve fast linear ansteigt.

Die maximale rückwärts polarisierte Spannung, die die Diode aushalten kann, wird durch VRRM dargestellt, also die Spitzenrückwärtswiederholspannung.

Über diese Spannung wird der rückwärts gerichtete Strom abrupt sehr hoch, und da die Diode nicht dafür ausgelegt ist, so viel Wärme abzugeben, kann sie zerstört werden. Diese Spannung kann auch als Spitzenumkehrspannung (PIV) bezeichnet werden.

Rückwärts-Wiederherstellungszeit

Die Abbildung zeigt die Rückwärts-Wiederherstellungskennlinie einer Leistungsdiode. Wenn die Diode ausgeschaltet wird, fällt der Strom von IF auf Null und setzt dann weiter in umgekehrter Richtung fort, aufgrund der in der Raumladungszone und im Halbleiter gespeicherten Ladungen.

Dieser rückwärts gerichtete Strom erreicht einen Spitzenwert IRR und geht wieder auf Null, und schließlich ist die Diode nach der Zeit trr aus.

Diese Zeit wird als Rückwärts-Wiederherstellungszeit definiert und ist die Zeit zwischen dem Moment, in dem der Vorwärtsstrom auf Null fällt, und dem Moment, in dem der rückwärts gerichtete Strom auf 25% von IRR abfällt. Nach dieser Zeit hat die Diode ihre Rückwärtsblockierfähigkeit erreicht.

Weichheitsfaktor

Der Weichheitsfaktor von Leistungsdioden ist das Verhältnis der Entladezeiten der Ladungen aus dem Halbleiter und der Depletionszone, was Spannungsspitzen beim Ausschalten anzeigt.