干貨滿滿！帶你了解二極管的反向恢復(fù)時(shí)間

PN結(jié)二極管經(jīng)常用來制作電開關(guān)。在正偏狀態(tài)，即開態(tài)，很小的外加電壓就能產(chǎn)生較大的電流;在反偏狀態(tài)，即關(guān)態(tài)，只有很小的電流存在于PN結(jié)內(nèi)。

我們感興趣的開關(guān)電路參數(shù)就是電路的開關(guān)速度。下面的內(nèi)容會(huì)定性地討論二極管的開關(guān)瞬態(tài)以及電荷的存儲(chǔ)效應(yīng)。在不經(jīng)任何數(shù)學(xué)推導(dǎo)的情況下，簡(jiǎn)單給出描述開關(guān)時(shí)間的表達(dá)式。

二極管的作用

利用二極管正、反向電流相差懸殊這一特性，可以把二極管作開關(guān)使用。

當(dāng)開關(guān)K打向A時(shí)，二極管處于正向，電流很大，相當(dāng)于接有負(fù)載的外回路與電源相連的開關(guān)閉合，回路處于接通狀態(tài)(開態(tài));

當(dāng)開關(guān)K打向B時(shí)，二極管處于反向，反向電流很小，相當(dāng)于外回路的開關(guān)斷開，回路處于斷開狀態(tài)(關(guān)態(tài))。

V1為外加電源電壓，VJ為二極管的正向壓降，對(duì)硅管VJ約為0.7V，鍺管VJ約為0.25V，RL為負(fù)載電阻。

在開態(tài)時(shí)，流過負(fù)載的穩(wěn)態(tài)電流為I1：

通常VJ遠(yuǎn)小于V1，所以上式可近似寫為：

在關(guān)態(tài)時(shí)，流過負(fù)載的電流就是二極管的反向電流IR。

接通過程中，二極管P區(qū)向N區(qū)輸運(yùn)大量空穴，N區(qū)向P區(qū)輸運(yùn)大量電子。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，N區(qū)內(nèi)空穴和P區(qū)內(nèi)電子不斷增加，直到穩(wěn)態(tài)時(shí)停止。

在穩(wěn)態(tài)時(shí)，流入N區(qū)的空穴正好與N區(qū)內(nèi)復(fù)合掉的空穴數(shù)目相等，流入P區(qū)的電子也正好與P區(qū)內(nèi)復(fù)合掉的電子數(shù)目相等，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，流過P-N結(jié)的電流為一常數(shù)I1。

隨著勢(shì)壘區(qū)邊界上的空穴和電子密度的增加，P-N結(jié)上的電壓逐步上升，在穩(wěn)態(tài)即為VJ。此時(shí)，二極管就工作在導(dǎo)通狀態(tài)。

當(dāng)某一時(shí)刻在外電路上加的正脈沖跳變?yōu)樨?fù)脈沖時(shí)：

正向時(shí)積累在各區(qū)的大量少子要被反向偏置電壓拉回到原來的區(qū)域，開始時(shí)的瞬間，流過P-N結(jié)的反向電流很大，經(jīng)過一段時(shí)間后，原本積累的載流子一部分通過復(fù)合，一部分被拉回原來的區(qū)域，反向電流才恢復(fù)到正常情況下的反向漏電流值IR。

正向?qū)〞r(shí)少數(shù)載流子積累的現(xiàn)象稱為電荷儲(chǔ)存效應(yīng)。二極管的反向恢復(fù)過程就是由于電荷儲(chǔ)存所引起的。

反向電流保持不變的這段時(shí)間就稱為儲(chǔ)存時(shí)間ts。在ts之后，P-N結(jié)上的電流到達(dá)反向飽和電流IR，P-N結(jié)達(dá)到平衡。

定義流過P-N結(jié)的反向電流由I2下降到0.1 I2時(shí)所需的時(shí)間為下降時(shí)間tf。儲(chǔ)存時(shí)間和下降時(shí)間之和為(ts+tf)稱為P-N結(jié)的關(guān)斷時(shí)間(即為反向恢復(fù)時(shí)間)。

反向恢復(fù)時(shí)間限制了二極管的開關(guān)速度：

如果脈沖持續(xù)時(shí)間比二極管反向恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)得多，這時(shí)負(fù)脈沖能使二極管徹底關(guān)斷，起到良好的開關(guān)作用;

如果脈沖持續(xù)時(shí)間和二極管的反向恢復(fù)時(shí)間差不多甚至更短的話，這時(shí)由于反向恢復(fù)過程的影響，負(fù)脈沖不能使二極管關(guān)斷。

所以要保持良好的開關(guān)作用，脈沖持續(xù)時(shí)間不能太短，也就意味著脈沖的重復(fù)頻率不能太高，這就限制了開關(guān)的速度。

一、反向恢復(fù)過程

在圖1所示的二極管電路中，加入一個(gè)如圖2所示的輸入電壓。即在 0~ 時(shí)間內(nèi)，輸入為 ，二極管導(dǎo)通，電路中有電流流過。

假設(shè)二極管的正向壓降為 ，當(dāng) 遠(yuǎn)大于 時(shí)， 可忽略不計(jì);如果在 時(shí)刻，輸入 突然從 變?yōu)? ，在理想情況下，二極管將即刻變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)，電路中只有很小的反向漏電流。

但在實(shí)際情況中，二極管并不會(huì)立即變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)，而是先有正向的 變?yōu)橐粋€(gè)很大的反向電流 ，這個(gè)反向電流會(huì)維持一段時(shí)間 后才開始逐漸下降，再經(jīng)過 時(shí)間后，下降到一個(gè)很小的數(shù)值 ，這時(shí)二極管才會(huì)進(jìn)入反向截止?fàn)顟B(tài)。該過程如圖3所示。

一般將二極管從正向?qū)ㄗ優(yōu)榉聪蚪刂沟倪^程成為反向恢復(fù)過程，其中 稱為存儲(chǔ)時(shí)間， 稱為渡越時(shí)間， 稱為反向恢復(fù)時(shí)間。

二極管的開關(guān)速度受到反向恢復(fù)時(shí)間的限制。

二、原因

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是由于電荷存儲(chǔ)效應(yīng)。

由于二極管外加正向電壓 時(shí)，P 區(qū)的空穴向 N 區(qū)擴(kuò)散，N 區(qū)的電子向 P 區(qū)擴(kuò)散，不僅使得耗盡層變窄，而且使得載流子有相當(dāng)數(shù)量的存儲(chǔ)，在 P 區(qū)內(nèi)存儲(chǔ)了電子，在N 區(qū)內(nèi)存儲(chǔ)了空穴，它們都是非平衡少子。

空穴由 P 區(qū)擴(kuò)散到 N 區(qū)后，并不是立即與 N 區(qū)中的電子復(fù)合后消失，而是在一定的路程(擴(kuò)散長(zhǎng)度)內(nèi)，一方面繼續(xù)擴(kuò)散，一方面與電子復(fù)合消失，這樣就會(huì)在范圍內(nèi)存儲(chǔ)一定數(shù)量的空穴，并建立起一定的空穴濃度分布，靠近 PN 結(jié)邊緣的濃度高，離 PN 結(jié)越遠(yuǎn)，濃度越小。

正向電流越大，存儲(chǔ)的空穴數(shù)目越多，濃度分布的梯度也越大。電子擴(kuò)散到 P 區(qū)的情況類似。

把正向?qū)〞r(shí)，非平衡少子積累的現(xiàn)象叫做電荷存儲(chǔ)效應(yīng)。

當(dāng)輸入電壓突然由 變?yōu)?時(shí)， P 區(qū)存儲(chǔ)的電子和 N 區(qū)存儲(chǔ)的空穴不會(huì)馬上消失，它們會(huì)通過以下兩個(gè)途徑逐漸減少：

在反向電場(chǎng)的作用下， P 區(qū)電子被拉回 N 區(qū)， N 區(qū)空穴被拉回 P 區(qū)，形成反向漂移電流 ;

與多數(shù)載流子復(fù)合消失。

在這些存儲(chǔ)電荷消失之前，PN結(jié)仍處于正向偏置，即耗盡層仍然很窄，PN結(jié)的電阻仍然很小，與 相比可以忽略，所以此時(shí)反向電流IR=VR+VDRL

表示PN結(jié)兩端的正向壓降，一般有，即。在這段時(shí)間，基本上保持不變，主要由 和 決定。經(jīng)過 時(shí)間后，P 區(qū)和 N 區(qū)所存儲(chǔ)的電荷已顯著減小，耗盡層逐漸變寬，反向電流 逐漸減小到正常反向飽和電流的數(shù)值，經(jīng)過 時(shí)間后，二極管轉(zhuǎn)為截止?fàn)顟B(tài)。

由上可知，二極管的反向恢復(fù)時(shí)間就是存儲(chǔ)電荷消失所需要的時(shí)間。如果反向脈沖的持續(xù)時(shí)間比反向恢復(fù)時(shí)間 短，則二極管在正、反方向都可以導(dǎo)通，起不到開關(guān)的作用。