击穿 SiC/GaN 与 Si/Ge

假设我们要解决一个问题分为以下两点：

1. 解释WBG二极管的击穿现象，证明图 1 和图 2 中显示的图表的合理性
2. 使用什么标准可以估计图 3 的 δV，以免损害齐纳二极管的稳定特性？

问题一的解答

我们可以再次回顾电压-电流特性，由以下等式给出：

对于v > 0，二极管处于正向电压模式，而对于v < 0，它处于反向电压或阻断模式。在反向电压模式下，我们有：

在这种情况下，二极管的动态电导4几乎为零（动态电阻无穷大）。通过逐渐增加反向偏置电压，电荷载流子生成过程“爆炸”成奇点（至少在理论上）：

其中阈值v B < 0 为击穿电压，即反向饱和电流急剧增加时的电压。这种奇异行为可以通过两种机制来解释：

1. 雪崩倍增
2. 齐纳效应。

雪崩倍增是由于电场强度增加导致共价键断裂。晶格离子碰撞释放的相应电子/空穴对产生新的电子/空穴对，依此类推。

另一方面，齐纳效应不涉及晶格离子。在电路应用中，这两种效应没有区别。因此，我们简单地参考齐纳效应并通过设置V z = ? v B来定义齐纳电压。

我们还记得，虽然带隙的幅度ε g随着温度的升高而降低，但反向饱和电流会增加。 那么很容易理解齐纳电压与带隙成正比。更准确地说，它的范围从 Si/Ge 二极管的不到 1 伏到 SiC/GaN 二极管的 5000 伏。i 0也显着增加：对于 Si/Ge，典型值在 1 – 10 μ A范围内。

问题2的解答

众所周知，齐纳二极管用作稳压器。在不涉及高功率过程的电路中，需要大约 10 伏的稳定电压。我们使用v > v B + δV的电压-电流特性绘制了图 3 的曲线，其中 0 < δV < ? v B，然后将其与它不是的“测试函数”的图形联系起来可以在连接点施加一阶导数的连续性。事实上，我们注意到典型的“尖锐拐点”对应于二极管动态电阻的不连续性。原则上，小增量δV是固定的，以免电流值下降到低于二极管制造商提供的阈值（否则没有稳定性）。

稳压器

图 4 中所示的原理图包括具有以下特性的设备：V L = 5 V 和 I L = 50 mA。我们还有一个电源，提供电压 V in =15 V。使用工作点 V z = 5.1 V 和 I z = 50 mA的齐纳二极管，功耗为 0.5 W，确定电流的范围在负载可以变化。

解决方案

对于理想的齐纳二极管，其电压-电流特性具有所示的趋势。但是，切换为，如所示，用大写字母表示相应的量。

理论上，如果V D = V z （该值由二极管制造商提供），电流可以在 0 到 +∞ 之间变化。实际上，电流的值会产生二极管能够耗散的功率W max
（该数值数据也由制造商提供）。因此，我们有：

此行为如图 6 所示，其中A ( V z , I z ) 是工作点（I z = 已知数值数据）。

应用基尔霍夫第二定律，我们有：

在右侧，我们有负载中的电流I ，其大小可以围绕标称值I L波动。如果I = I L，二极管配置为I D = I z 。设V D = V z，等式（5）变为：

这使我们能够计算要插入电路中的电阻R的值：

因此我们可以写：

从中我们可以将负载中的电流表示为二极管中电流的函数：

相应的图如图 7 所示。我们现在可以得到稳定范围如下：

换句话说，如果负载中的电流在等式 (10) 给出的范围内变化，电压将保持稳定在V L。现在，我们所要做的就是将数值插入到我们的方程式中。我们获得：

总之，即使负载中的电流在 50 mA 的标称值附近波动，在 2 mA 至 100 mA 的范围内，器件两端的电压仍保持稳定在V L = 5 V。

锗二极管与碳化硅二极管

在图 8 所示的示意图中，D 1和 D 2分别是锗和碳化硅二极管。该系列由提供电压 V 0 = 50 V 的电池供电。V z是二极管 D 2的齐纳电压，假设工作温度 T = 400 K，并且 D 2的反向饱和电流是二极管的 40 倍二极管 D 1。

假设我们要解决一个问题分为以下两点：

1. 如果 V z > V 0，确定二极管两端的电压
2. 如果 V z < V 0 ，在不破坏 D 1 的情况下， V 0 ?V z可以假设的值是多少，已知该二极管可以耗散的功率为 1 瓦，其反向饱和电流为 1 μA，并且其动态电阻为 r=60 Ω？

问题一的解答

就电压而言，我们将使用小写字母表示变量（v、v 1 、v 2 、...），使用大写字母表示常数。

鉴于此，我们将找到一个使用电压-电流特性的解决方案。二极管D 2处于反向电压模式，其行为如图 9 所示。该二极管迫使发生器提供等于D 2反向饱和电流的电流强度，我们用i 02表示。穿过二极管D 1时，该电流会导致电压降V 1，这可以使用图 10 中所示的D 1的电压-电流特性来确定，并由下式给出：

从等式（12）我们可以写出：

根据基尔霍夫第二定律，我们有：

问题2的解答

如图 11 所示，在这种情况下我们有：V 0 > V z。

考虑到基尔霍夫第二定律，D 1两端的电压降为V 1 =? V。电路中流过的电流强度可以根据D 1的电压-电流特性计算如下：

二极管D 1消耗的功率由下式给出：

然后我们可以得到解决方案：

总之，电源电压可以低于V z直到 0 。40 伏。