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为了更合理地使用硅堆，这一章简要地介绍一下硅堆的有关知识。众所周知，半导体硅二极管具有单向导电性能，故可以用作整流元件。对一个整流元件的理想要求是：
1.元件正向阻抗为零，而反向阻抗趋于无穷大（反向电流为零）；
2.元件的正反向“开”“闭”动作与外加电信号完全一致；
3.元件性能不受温度影响。
实际的整流元件总是达不到上述要求，然而使用者总是以上述要求为目标，想方设法达到它，以满足使用需要。
在实际使用中，以下几种情况总是存在。
1.二极管总是存在正向阻抗，于是元件本身因消耗功率而发热，从而限制了正向通流能力；加反压时，总有反流存在，且反流超过一定限度后，则急剧增大，出现所谓击穿现象；
2.在外加信号（电压或电流）正、负转向的瞬间，二极管并不立即导通或截止，即“开”“闭”动作有一“滞后现象”，它对元件工作不利；
3.二极管的整流特性受温度影响颇大。当结温超过一定范围，元件性能变坏，或完全失效。
若在一硅单晶片的一端掺入杂质，使其成N型；而在另一端掺杂，使其成P型。则在N型与P型的交界处形成了所谓的PN结。它具有单向导电性能。其伏安特性如图六所示。
图中：V f ——二极管所加正向电压；
V T ——死角电压； V jc ——击穿电压；
I f ——正向电流； I r ——反向电流。
当二极管外加V f 很小时（对高压硅二极管，其V f 小于 0.2V），正向电流很小；但当V f ＞V T 之后，I f 随V f 的升高而迅速增加。对高压整流二极管而言，其V T =0.4~0.6V。若外加反压在一定值时，I r 很小（几微安），但反压大于击穿电压V jc 后，反向电流I r 急剧升高，这时，称为“击穿”。
如果形成PN结的N区杂质浓度比P区高得多，则称此结为N + P结；反之，PN结的P区杂质浓度比N区高得多，则称此结为P + N结。通过分析可知，N + P结或P + N结具有很高的反向体雪崩击穿电压V jc ，而且结的低掺杂N（或P）基区杂质浓度越低，击穿电压V jc 可以越高；然而这时正向压降要增加很多。
除PN结外，N + N结与P + P结也是半导体元件中的另一类重要的结。它们由具有同一导电类型（N型或P型）但掺杂浓度有很大差别的两半导体区交结而成。这里N + 与P + 表示重掺杂区；N与P则表示轻掺杂区。
N + N结与P + P结也具有单向导电的整流特性，但技术上主要利用结的正向特性。以N + N结为例，当N区电位比N + 区高时（加正向电压），结果会使N区正向压降大为降低。
利用N + P结（或P + N结）和N + N结（或P + P结）的这种特性，会做成既可承受高电压（N + P结或P + N结）又可得到低正向压降（N + N结或P + P结）的高压硅堆。目前高压硅堆基本都采用P + NN + 结或N + PP + 结的结构。
当PN结中的场强足够高时，在电场力的推动下，结内载流子速度大增，具有很大的动能。这些高能载流子通过碰撞就会将能量传递给束缚电子，使之受激成为自由电子——空穴对，即产生新的载流子。这些新生载流子与原载流子一起，又会碰撞产生更多的载流子。如此形成载流子类似于高山积雪崩塌剧增现象，使反流猛增，称之为“体雪崩击穿”。
实践证明，对于硅PN结，绝大多数情形属体雪崩击穿。
当高压二极管处于正向导通状态时，其中流过的正向瞬时电流if将和正向压降一起产生正向功耗P f 。p f =i f ·V f 。
在一个周期内的平均正向功耗P f 则为：
V f 在伏安特性的线性段可表示为：V f ≈V T +i f ·R d 。
上式中R d 为正向伏安特性线性段所对应的电阻。它由欧姆接触电阻及体电阻形成。R d ≈ΔU/ΔI.因此，平均正向功耗为：
式中：I f ——正向电流平均值；I d ——正向电流有效值。
反向功耗在结温不高时较小，约为总功耗的 5%—10%。平均反向功耗P r =I rd ·V rd ，式中I rd ——反流值；V rd ——反压值。
当结温升高时，反流I r 急剧升高，I r =I ro e β Tj Pr=P ro e β Tj
式中I ro ——0℃时，整流器的平均反流强度；P ro ——0℃时，整流器的平均反向功耗；β——反流温度系数（由实验确定）；T j ——结温（℃）。
总功耗P=P f +P r =P f +P ro e β Tj 。
当结温不高时，正向功耗占主要成分，反向功耗可以不计；反之，应计算之。
整流器工作时，本身的功耗将转化为热能。一部分散逸到外界，一部分将使整流器温度升高。结温升高后，与周围媒介温差加大，这时，散到周围媒介的热量增加，因而结温上升减慢，最后可能达到热平衡。通常以“热阻”R t 来表示元件的散热能力。R t 越小，散热越好；反之，散热越差。
温升过程中，元件诸参量有如下关系：
T j -T o =R t P［1-exp（-t / R t C t ）］
达到热平衡后，T jo -T o =R t P
式中T o ——冷却煤质温度（℃）；
T j ——整流器温度（结温）（℃）；
T jo ——热平衡时整流器温度；
P——元件平均功耗；
C t ——元件热容量；
R t ——热阻。
R t 通常由实验确定。R t C t 常称为发热时间常数。它越小，则元件趋于稳态结温所需时间越少。常用的硅整流器其发热时间常数相当小，可至毫秒级。因而过流时，元件温度很快上升。这就要求过流保护具有更快的动作。
上面说明了可以达到热平衡时的情形。但元件的发热量可能超过散热量。结果，内部聚积热量越来越多，结温上升，以致超过允许结温，使元件烧坏。
通常，失去热稳定性是由于元件的反向功耗引起的。因为反向功耗随结温而指数上升，故当结温超过一定值后，反向功耗猛增，因而发热量也急剧增大；反过来，又使结温急剧上升；但此时散热量仅与温差的一次方成正比，故发出的热量超过散去的，且热量越来越多，直至元件毁坏。
一般情况下，正向损耗占总耗的 90%—95%，故结温升高主要由正向功耗引起。结温过高，又会引起反向功耗猛增。所以，正向功耗太大也是产生热不稳定性的重要原因。
根据一系列分析证明，对于硅高压整流元件，最高工作结温以150℃~160℃为宜。
当PN结型二极管外加正向脉冲电压时，经过二极管输出的脉冲前沿变斜，即有一个所谓的正向恢复时间tfr。
t fr 即为图七中t 2 —t 1 的时间间隔。t 2 时刻相应于二极管电流密度达正向稳态值的 90%的时刻。显然，t fr 越小，正向开关特性越好。
当正向电流脉冲加足够长的时间后，即认为二极管已达正向稳态。然后在t=0 的时刻外加一反压脉冲（如图八所示），这时，正向输入虽然取消，但由于所谓的电荷存储效应，而使二极管并不处于反向截止状态，而是以导通状态出现。因而，这时的反流i r 远大于稳态反流i s ，这个过程可维持一段时间t a 。
在 0≤t≤t a 期间，反流稍有衰减，但近似不变。t a 之后，反流显著衰减。由t a 时刻至反流i r 减至其峰值的 10%的时间记为t f 。
t rr =t a +t f
式中t rr ——反向恢复时间；t a ——存储时间；t f ——下降时间。如图八-（b）所示，二极管总压降在翻转瞬间，很快下降至一极小值（减去Ω压降），但仍为正，以后又逐渐减小至零。到ta时刻以后，空间电荷区扩大，反压迅速增长而逐渐趋于其稳态反压值为止。
综上所述，在反压恢复时间t rr 内，特别在t a 时刻内，元件几乎无反向阻断能力。t rr 过长，将使整流效率降低，反向损耗增加。
硅堆的运行电压包括两个方面：一个是正常工作时的运行电压，另一个是线路中发生故障时所产生的过电压。前一个较易估计，后者则较难。而硅堆不像电子管，它一旦击穿之后，难以恢复，故它对电压来说比较“娇气”，这对我们使用它提出了更高的要求。
关于硅堆的运行电压与额定电压之间的关系，我们曾进行过调查，然而说法不一。北京市玄武区高压硅堆厂根据他们接待用户的经验，总结出：额定电压应选运行电压的四倍左右。
天津师范学院物理系和西安交大高压教研室的经验是额定电压应选正常运行电压的两到三倍。
其共同特点是：随着正常运行电压的加高，倍数可适当降低一些。
北京师范大学设计的医用直线加速器的调制器上，其仿真线PFN充电电压约 16kV，原先反峰管用 20kV、1A的硅堆三只串联，总耐压为 60kV，即为运行电压的三倍多。但使用一段时间后，硅堆损坏。后用 50kV、0.1A的硅堆两只串，总电压为 100kV，即为正常运行电压的六倍。该调制器充电管原为 30kV、3A的硅堆，后硅堆损坏，改用 2DL100/1（100kV，1A）的硅堆，其额定电压亦为运行电压的六倍。
从以上调查的情况看出，对DL型硅堆来说，耐电流特性较好，而耐压特性较差。因此，电压裕度应尽量选大一些。
关于硅堆的耐流特性，有硅堆厂及笔者同行做过破坏性试验，证明硅堆耐流特性强。某次试验中，负载为 0.5 欧姆的电阻丝，在额定电压下合闸，硅堆未坏；只是使负载短路时，硅堆才损坏。
据硅堆厂的技术人员讲，一个周波（20ms）过流 20 倍没有问题。一机部部标（JB1143-75）对ZP型硅整流元件要求一个周波过流至少 10 倍。天津师范学院老师通过试验证明，硅堆瞬时过流几十倍，甚至一百倍也没有问题。
我们选择反峰管、阻尼管时，其实际电路中的平均电流约150mA不到（后又加了限流电阻而使电流下降），即小于 0.15A，采用了现成的旧硅堆 1A的进行试验，效果还可以。就平均电流来说，额定电流相当运行电流的六倍以上。这时硅堆表面温度约 40℃。据硅堆厂的技术人员介绍，硅堆内部与表面温差约 10℃，这样，其内部温度 50℃左右，还是在容许温升范围内（一般内部温升允许 120℃—150℃）。为确保安全运行，对硅堆进行了强迫风冷。
XXXX调制器仿真线充电平均电流约 2A，我们选择的是 40kV/3A的现成旧硅堆（扬州元件四厂产品）进行试验。长期运行表明，还是成功的。但我们在该硅堆回路上串了一只高压过流继电器，以备不测。
XXXX调制器仿真线充电电压约 28kV，因此充电管额定电压（40kV）相当于运行电压的 1.4 倍；反峰管额定电压（90kV，以 30kV/1A三只串）相当运行电压的 3 倍多。这几个管子中，只是充电管保险系数嫌小。
近两年来的实际运行表明，所选上述元件，能够可靠运行。
自从参观了英国产的医用直线加速器后，了解到其调制器上用雪崩型硅二极管充当充电二极管，使我们对雪崩型硅元件产生了兴趣。它对我们以后向有关厂家订购调制器用硅堆提供了一个参考。
该调制器输出脉冲电压 45kV，脉冲电流约 100A，脉冲宽度约 2.2μs，重复频率f为 50—600Hz。其充电管由 30 只BYX39 串联而成。
BYX39 Silicon avalanche rectifier diodes.（硅雪崩整流管）
IF（AV） max =6A（T mb =125℃）;V RWM （max） =1000V；
I FRM （max） =100A；I FSM （10ms）=100A.
V RWM ——Crest working reversevoltage（反向峰值工作电压）；
I FRM ——Repetitive peak gate current（重复性峰值启动电流）；
I FSM ——Non repetitive peak forward current（非重复性正向峰值电流）。
关于雪崩型硅元件的特性，综述如下：
1.管芯结构与一般的不同
硅元件起整流作用的是整流结（P-N结）。雪崩型硅元件与非雪崩型硅元件的主要区别在于管芯结构的不同。雪崩型硅元件除了在电子型硅片的一面扩散铝、硼等形成一般的整流结（P-N结）外，还要在结的空穴一侧扩散一层空穴密度更大的空穴层（P+）而在结的电子一侧扩散一层电子密度更大的电子层（N+），这就形成了所谓的“P+PNN+”结。
2.雪崩型硅元件反向特性是“硬”特性
雪崩型硅元件采用扩散法工艺加工成P+PNN+四层结构。其反向特性是“硬”特性。这种特性可以使它在反向电压峰值超过其最高反向测试电压时，承受一定的反向功率而硅元件不致损坏。但是，反向电压的持续时间和功率应有一定限度。否则，仍会导致雪崩硅元件的损坏。
3.雪崩型硅元件的测试特点及额定工作电压与测试电压之关系
雪崩型硅元件虽然有“硬”的反向特性，但由于它能承受一定的反向功率，因此，在做反向测试时就不必像测试一般硅元件那样严格。也可以采用测试“软”的反向特性硅元件的方法。
一般硅元件额定工作电压峰值按规定为最高测试电压峰值之半。雪崩型硅元件可适当提高一些。一般取 0.6—0.8 倍最高测试电压峰值作为它的额定工作电压峰值。