二极管基础知识new

二极管基础知识BasicKnowledgeforDiode海湾电子(山东)有限公司上海分公司GulfSemiconductor(Shandong)Co.Ltd,ShanghaiBranch2021/1/8PartI简介IntroductionPartII特性参数与应用ParametersandApplicationPartIII可靠性评估ReliabilityEvaluation目录Contents2021/1/8PartI简介Introduction2021/1/81.二极管的单向导电特性，几乎在所有的电子电路中，都要用到半导体二极管，它在许多的电路中起着重要的作用，它是诞生最早的半导体器件之一，其应用也非常广泛。1.0序论2021/1/82.在不同的场合，不同环境，不同的应用条件，对二极管提出了各种各样的要求；而二极管本身也有各项显性的、隐性的特性，这些特性与材料、工艺技术，测试技术能力有关。1.0序论2021/1/83.本讲介绍整流二极管的正向、反向及开关状态相关的影响因素及应用。1.0序论2021/1/81.整流二极管：利用二极管单向导电性，可以把方向交替变化的交流电变换成单一方向的脉冲直流电;2.续流二极管：在电路的电感中和继电器等感性负载中起续流作用；1.1二极管应用类别2021/1/83.稳压二极管：反向击穿电压恒定，且击穿后可恢复，利用这一特性可以实现稳压电路；4.变容二极管：也称为压控二极管，根据所提供的电压变化而改变结电容的半导体；应用于电视机的高频头中；1.1二极管应用类别2021/1/85.开关二极管：二极管在正向电压作用下电阻很小，处于导通状态，相当于一只接通的开关；在反向电压作用下，电阻很大，处于截止状态，如同一只断开的开关。利用二极管的开关特性，可以组成各种逻辑电路。1.1二极管应用类别2021/1/86.发光二极管(LED)：LED加正向电压时，P/N结势垒降低，扩散运动大于漂移运动，P区和N区的多子会注入空间电荷区，从而空穴和电子在空间电荷区内相遇复合，复合的能量大部分以可见光的形式出现，因此发光；主要用于VCD、DVD、计算器等显示器上。1.1二极管应用类别2021/1/81.2海湾的晶粒(GPdie)铝层NP+N+GPdie剖面图1.Diesize(晶粒尺寸)：晶粒大台面的尺寸，GP晶粒为P+面的尺寸；2.ContactArea(焊接面积)：晶粒小台面可焊区域的面积，GP晶粒就是N+的面积；3.Basewidth(基区宽度)：N区域的宽度，对于二极管需要确保有足够宽度的basewidth；VR1000V产品应尽量确保basewidth在130~140um；2021/1/81.2海湾的晶粒(GPPdie)GPPdie剖面图镀金LTO膜钝化玻璃Sipos1.Diesize(晶粒尺寸)：晶粒大台面的尺寸，GPP晶粒为N+面的尺寸；2.ContactArea(焊接面积)：晶粒小台面可焊区域的面积，GPP晶粒是P+面的镀金区域的面积；3.Basewidth(基区宽度)：N区域的宽度，对于二极管需要确保有足够宽度的basewidth；VR1000V产品应尽量确保basewidth在130~140um；2021/1/81.按产品结构分：GPP,GP,OJ1.3海湾的二极管GP产品结构GPP产品结构2021/1/8OJ产品结构二极管不同组成部分的热膨胀系数•AxialLead(DO-41,DO-15,DO-201AD,SOD57,SOD64)•SurfaceMount(GF1)GPPackage2.按封装形式分：•AxialLead(A405,R1,DO-41,DO-15,DO-201AD)•SurfaceMount(SMA,SMB,SMC)GPPPackage•Bridge(LD/LLD,LB/LLB,MDF,DF/DFS,WOG,D3K,etc.)GPPPackage•Bridge(GBL,GSIB-3S,GSIB-5S,GBU,KBP,KBPM,KBU,GBPC,etc.)GPPPackage•PowerPack(TO-220,ITO-220,D2PAK)GPPPackage2021/1/81.4对二极管应用特性的要求较强的耐电压击穿的能力(HighVR’S)较强的耐电流冲击的能力(BigIFSM)较低的正向电压(LowVF)较快的截止时间(LowTRR)较高之工作频率(LowTRR)2021/1/81.4对二极管应用特性的要求较低之电容性(结电容）较小的封装及较高的散热能力(SmallPackageProfileandLowThermalResistance)说明：但是在二极管的实际生产过程中某些参数之间是相互制约的，所以需要根据客户的应用要求将某些关键参数做的更好。2021/1/8PartII特性参数与应用ParametersandApplication2021/1/82.0二极管基本特性曲线IF:forwardcurrent正向电流VF:forwardvoltage正向电压VR:reversevoltage反向电压IR：reversecurrent反向电流VBR:reversecurrentvoltage反向崩溃电压IBR:reversebreakdowncurrent反向崩溃电流PIV:peakinversevoltage最高反向电压图1二极管特性曲线2021/1/82.1不同温度环境下的VR/VF曲线1.温度越高，在电流不变的情况下，正向电压越低(温度高，电子获得的能量越高，更容易通过势垒区，压降越低）2.温度越高，二极管的反向击穿电压越高；（温度高，电子的散射严重，平均自由程变短，因此只有通过更高的电压对其加速，才能使其获得做够的能量发生碰撞电离；即需要更高的电压才能发生雪崩击穿）图2不同温度下二极管特性曲线2021/1/82.2正向特性IF/VF/△VF/IFSM△VF测试中，IFT是将材料加热，在加热前后用小电流Im测得VF,得到的2个VF的差值即为△VF值；IFT脉宽没有统一定值，其值的大小会影响到△VF值的大小；△VF是用来筛选焊接不良材料，可利用PAT原理和△VF的实际分布确定其规格限。图3正向特性测试曲线2.2.1VF/DVR测试特性2021/1/8IFSM－不可恢复的最大正向电流IFSM(tj-max)－不可恢复的最大正向电流(结温条件)+DUT测试示意电路测试波形8.3ms2.2.2IFSM测试线路2021/1/82.2.2影响因素1.二极管的电流额定值由其晶粒面积决定，面积越大，允许长时间通过的电流IF越大(0.6A~25A)；IFSM能力越强(一般，以8.3ms的单相正弦波计算的IFSM能力是其IF的约30倍)；2.在其他条件相同的情况下，wafer电阻率高的二极管，正向压降VF大；IFSM能力越差；2021/1/82.2.2影响因素3.在其他条件相同的情况下，wafer越厚，basewidth越宽，正向压降VF越大；4.TRR越小的材料，正向压降VF越大；IFSM能力越差；5.内部结构的不同的二极管，DVF大小不一样，一般焊接不良的二极管，其DVF值会较正常材料偏大；2021/1/82.2.3相关应用1.应用要求：1)一般在应用中正向压降VF越小越好，在客户选型过程中建议，在一次整流中：IF≈2.0Iavg;如果反向功耗较大，则选择IF=3.0~5Iavg.2)IFSMIrush,(如果脉宽大于1ms小于8.3ms可用I2T来换算，获得新的IFSM值)；)(01.02222SAIFSMTI2021/1/82.正向浪涌的产生：二极管整流输出如有电解电容器，因电容特性，电压突变瞬间其有瞬间大电流，从而给其前端器件产生较大的浪涌电流，其浪涌电流的大小与其容量大小成正比，与其前端串接电感器的感抗大小成反比；2021/1/83.应用电路：交流整流桥，PFC升压二极管，输出整流；4.注意事项1)需要注意实际的应用条件，不同温度对应VF的影响；2)VF与TRR是一对相互矛盾的参数，需要分析客户的实际线路，确认其注重点是VF还是TRRGND+++图4一次整流图5PFC升压图6二次整流2021/1/85.案例学习：1)GULFRGP10D使用在比亚迪汽车上，需要考虑在零下40度的工作环境下，电性能VF的变化，调整线路的配置。2)GulfU3KB80-47L应用于Delta一线路中，失效比例1%；经分析发现海湾UG3KB80材料的与竞争对手采用相同的晶粒尺寸，但是有效的焊接窗口面积比竞争对手小约8mil；海湾放大晶粒尺寸后，客户问题得到改善(问题点：相同的晶粒尺寸如何增加有效的焊接面积)2021/1/82.3反向特性IR/VBR/DVR1/DVR2/VR’S/Erms图7VR/IR特性曲线图8测试波形VR(S)VRtVR’SVR1VR2VR3VR△VR1△VR2IR@VRVR@IB2.3.1VR/IR特性曲线及其测试波形2021/1/8不同厂家仪表的内部参数不同，所以其电压上升的斜率存在很大的差异；如上图，冠魁VR测试仪的电压上升斜率较歆科大；而VR’S测试的原理是通过大的反向电流冲击，是P/N击穿；所以要求电压的上升斜率尽可能的；根据经验，冠魁仪表在VR@IB=1mA条件时，其dV/dt≥1200V/ms.2.3.1contVR’S@IB=1mA,上升斜率小VR’S@IB=1mA图9歆科VR测试波形图10冠魁VR测试波形2021/1/82.3.2Erms/Vrsm测试线路及波形2021/1/8在此，我们需要弄清楚击穿电压VBR和反向能力是两个不同的概念；二极管的VBR高，相应的其反向能力会越差；1.一般情况下，二极管的反向电压VR由其die的电阻率和其基区宽度决定；1)die的电阻率越高，其反向电压击穿越高；但是VR’S和Ersm能力越差；2)基区宽度越厚，晶粒的其反向电压也越高，且其抗反向大电流冲击的能力也越强，即VR’S和Ersm能力也越强；2.3.3影响因素2021/1/82.原硅片本身的一些晶格缺陷，以及在扩散过程中因为污染或温度异常导致的P/N结内部晶格缺陷也可能会导致产品的VR’S和Erms能力差；3.扩散过程中P/N结界面的平整度也会影响二极管的VR’S和Ersm能力；4.P/N结的钝化保护不良，如玻璃裂纹，可能会造成二极管的击穿电压不稳定，VR’S和Ersm能力差；问题研究：1)如何在生产过程中降低晶粒缺陷；2)如何提高P/N界面的平整度；2.3.3影响因素2021/1/81.在所有的应用中要求VR值比其应用电路的峰值电压高，以始终为宜，一般选择VR≈2~3Vp-p；2.二极管的DVR与稳定性和可靠性相关，其值越小，其稳定性和可靠性相对较好；3.IR值与线路中产生过余的功耗和热量相关，IR小的产品，其在线路中产生的热量小，应用相对稳定；2.3.4应用要求2021/1/84.不能达到正常浪涌冲击的产品,是有缺陷的产品，5.反向浪涌冲击较大的线路，阻尼/续流…..(按线路要求）6.线路装置要求高可靠性；7.需抵抗输入异常电波冲击时；8.线路工作在高温环境中时。2.3.4应用要求2021/1/8案例：GEGS2M替代SS1M在更换机型时，在作高压3000V可靠性测试时，超大浪涌冲击，产品异常。产品能力与结构有关。案例：光达电子SKY1N5822产品由于线路的设置，对该产品有很大的冲击，GULF在提高内部浪涌测试条件后，满足了客户的要求。QDRL输出续流管汽车整流子(蓝色标记为中心点二极管，起电位平衡作用，要求不高，红色为整流子要求高可用Avalanche二极管）GBatteryLoadExcitationCoil2021/1/82.4二级管的动态特性2.4.1二极管的动态特性曲线2021/1/82.4.2名词说明1.IF:ForwardCurrent正向电流2.VF:ForwardVoltage正向电压3.VFRM:PeakForwardRecoveryVoltage正向恢复电压峰值4.TFR:ForwardReco