二极管的反向恢复时间并不等于规格书中结电容的充放电时间。这个结论是从二极管的规格书参数中直接得来的,并没有正面说明为啥。
下面就来正面刚…
结电容
先说结电容。
![二极管结电容,二极管反向恢复时间](http://www.ejiguan.cn/uploadfile/2021/0709/20210709034212522.jpeg)
![二极管结电容,二极管反向恢复时间](http://www.ejiguan.cn/uploadfile/2021/0709/20210709034212522.jpeg)
二极管是两个管脚的器件,说来不怕丢人,我曾误以为:二极管的结电容就是它的两个管脚形成的寄生电容,因为两个极板放到一起,就构成了一个电容。
当然了,两个管脚确实会形成电容,不过这个电容很小,相比结电容来说,可以忽略不计了。
那结电容到底指的是什么呢?所有的道理,其实都在PN结里面,我们稍稍深入了解下PN结,答案就出来了。
结电容有两种,分别是势垒电容和扩散电容。
势垒电容
我们知道,P区空穴多,N区电子多,因为扩散,会在中间形成内建电场区。N区那边失去电子带正电荷,P区那边得到电子带负电荷。
![二极管结电容,二极管反向恢复时间](http://www.ejiguan.cn/uploadfile/2021/0709/20210709034246349.png)
![二极管结电容,二极管反向恢复时间](http://www.ejiguan.cn/uploadfile/2021/0709/20210709034246349.png)
当给PN结加上稳定的电压,那么稳定后,内建电场区的厚度也会稳定为一个值,也就是说内部电荷一定。如果PN结上的电压向反偏的方向增大,那么内建电场区厚度也增加,即内部电荷增多。反之,如果电压减小,那么内部电荷减少。
这样一看,不就和电容充放电现象一样吗?
PN结两端电压变化,引起积累在中间区域的电荷数量的改变,从而呈现电容效应,这个电容就是势垒电容。
上面是对结电容的理解,那么这个结电容大小等于多少呢?如下图
![二极管结电容,二极管反向恢复时间](http://www.ejiguan.cn/uploadfile/2021/0709/20210709034304374.png)
![二极管结电容,二极管反向恢复时间](http://www.ejiguan.cn/uploadfile/2021/0709/20210709034304374.png)
我们知道,势垒宽度,也就是内建电场区的宽度,是与电压相关的。所以说,不同的电压下,势垒电容的大小也是不同的。
所以,当你随意翻开某二极管的规格书,你看到的结电容参数,它会指定测试条件。通常这个条件是1MHz,电压为-4V(反偏)。
![二极管结电容,二极管反向恢复时间](http://www.ejiguan.cn/uploadfile/2021/0709/20210709034325576.png)
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事实表明,二极管在反偏时,势垒电容起主要作用,而正偏时,扩散电容起主要作用。下面看看扩散电容。
扩散电容
相比与势垒电容,扩散电容要更难以理解。
我先摆出文字定义
扩散电容:当有外加正向偏压时,在 p-n 结两侧的少子扩散区内,都有一定的少数载流子的积累,而且它们的密度随电压而变化,形成一个附加的电容效应,称为扩散电容。
下面看看这一段话怎么理解。
当PN结加上正向电压,内部电场区被削弱,因为浓度差异,P区空穴向N区扩散,N区的电子向P区扩散。
![二极管结电容,二极管反向恢复时间](http://www.ejiguan.cn/uploadfile/2021/0709/20210709034349213.png)
![二极管结电容,二极管反向恢复时间](http://www.ejiguan.cn/uploadfile/2021/0709/20210709034349213.png)
扩散的空穴和电子在内部电场区相遇,会有部分空穴和电子复合而消失,也有部分没有消失。没有复合的空穴和电子穿过内部电场区,空穴进入N区,电子进入P区。
进入N区的空穴,并不是立马和N区的多子-电子复合消失,而是在一定的距离内,一部分继续扩散,一部分与N区的电子复合消失。
显然,N区中靠近内部电场区处的空穴浓度是最高的,距离N区越远,浓度越低,因为空穴不断复合消失。同理,P区也是一样,浓度随着远离内部电场区而逐渐降低。总体浓度分布如下图所示。
![二极管结电容,二极管反向恢复时间](http://www.ejiguan.cn/uploadfile/2021/0709/20210709034406916.png)
![二极管结电容,二极管反向恢复时间](http://www.ejiguan.cn/uploadfile/2021/0709/20210709034406916.png)
当外部电压稳定不变的时候,最终P区中的电子,N区中的空穴浓度也是稳定的。也就是说,P区中存储了数量一定的电子,N区中存储了数量一定的空穴。如果外部电压不变,存储的电子和空穴数量就不会发生变化,也就是说稳定存储了一定的电荷。
但是,如果电压发生变化,比如正向电压降低,电流减小,单位时间内涌入N区中的空穴也会减小,这样N区中空穴浓度必然会降低。同理,P区中电子浓度也降低。所以,稳定后,存储的电子和空穴的数量想比之前会更少,也就是说存储的电荷就变少了。
![二极管结电容,二极管反向恢复时间](http://www.ejiguan.cn/uploadfile/2021/0709/20210709034429107.png)
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这不就是一个电容吗?电压变化,存储的电荷量也发生了变化,跟电容的表现一模一样,这电容就是扩散电容了。
那这个电容大小是多少呢?
![二极管结电容,二极管反向恢复时间](http://www.ejiguan.cn/uploadfile/2021/0709/20210709034445434.png)
![二极管结电容,二极管反向恢复时间](http://www.ejiguan.cn/uploadfile/2021/0709/20210709034445434.png)
扩散电容随正向偏压按指数规律增加。这也是扩散电容在大的正向偏压下起主要作用的原因。
![二极管结电容,二极管反向恢复时间](http://www.ejiguan.cn/uploadfile/2021/0709/20210709034501558.png)
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如上图,二极管的电流也与正向偏压按指数规律增加,所以,扩散电容的大小与电流的大小差不多是正比的关系。
问题困扰
关于扩散电容,曾经有一个问题困扰了我:为什么是少数载流子的积累呈现电容效应?多子不行吗?
![二极管结电容,二极管反向恢复时间](http://www.ejiguan.cn/uploadfile/2021/0709/20210709034519751.png)
![二极管结电容,二极管反向恢复时间](http://www.ejiguan.cn/uploadfile/2021/0709/20210709034519751.png)
少数载流子,指的是N区中的空穴,P区中的电子。要知道,N区中有更多的电子,就因为P区中的空穴扩散到N区,N区就带正电了吗?
事实确实是如此的,这需要我们发挥下想象力。
假如没有扩散作用,N区中电子是多子,且电子带负电,但是整个N区是电中性的,因为N区是硅原子和正五价原子构成,它们都是中性的。同理P区中空穴是多子,整体也是电中性的。
![二极管结电容,二极管反向恢复时间](http://www.ejiguan.cn/uploadfile/2021/0709/20210709035504691.png)
![二极管结电容,二极管反向恢复时间](http://www.ejiguan.cn/uploadfile/2021/0709/20210709035504691.png)
现在将N区和P区放到一起,并加上正电压,就有了正向电流。N区的电子向P区移动,P区的空穴向N区移动,如果电子和空穴都在交界处复合消失,那么N区和P区还是电中性的。
但事实是,电子和空穴有的会擦肩而过,电子会在冲进P区,空穴也会冲进N区。尽管P区有很多空穴,电子进入后也不会马上和空穴复合消失,而是会存在一段时间。这时如果我们看P区整体,它不再是电中性了,它有了净电荷。电荷数量就是还没有复合的电子数量,也就是少数载流子的数量。同理,N区也有净电荷,为少数载流子空穴的数量。
所以说,扩散电容是少数载流子的积累效应。
事实表明,PN结正偏的时候,结电容主要是扩散电容,PN结反偏的时候,结电容主要是势垒电容。
说我二极管的结电容,再来看看反向恢复时间。
反向恢复时间
由PN结构成的二极管都会有一个trr的参数,这个参数就是二极管的反向恢复时间。
![二极管结电容,二极管反向恢复时间](http://www.ejiguan.cn/uploadfile/2021/0709/20210709035521435.png)
![二极管结电容,二极管反向恢复时间](http://www.ejiguan.cn/uploadfile/2021/0709/20210709035521435.png)
从上一节内容我们知道,trr这个参数决定了二极管的最高工作频率。
那反向恢复时间到底是怎么来的呢?我们来看下面这个图
![二极管结电容,二极管反向恢复时间](http://www.ejiguan.cn/uploadfile/2021/0709/20210709035538412.png)
![二极管结电容,二极管反向恢复时间](http://www.ejiguan.cn/uploadfile/2021/0709/20210709035538412.png)
在t<0时,二极管接正向电源,正向电流为(Vf-Va)/Rf。
可以想象,此时PN结处充斥的很多的载流子,也就是存储了很多的电荷。
如果我们开启上帝视角,会发现,整个PN结,包括内建电场区,到处都有载流子存在。也就是说,现在整个PN结相当于是良导体,如果电源迅速反向,电流也是可以迅速反向的。
![二极管结电容,二极管反向恢复时间](http://www.ejiguan.cn/uploadfile/2021/0709/20210709035613790.png)
![二极管结电容,二极管反向恢复时间](http://www.ejiguan.cn/uploadfile/2021/0709/20210709035613790.png)
在t=0时,二极管接反向电源,但是此时PN结正偏的特性不会马上改变。
为什么PN结的正偏特性不会改变呢?
可以这么看,PN结反偏时内建电场区是基本没有电荷的,很明显,现在存了很多电荷,不把这些电荷搞掉,正偏特性不会变化的。也可以理解为是结电容导致电压不能突变,电荷没放完,结两端的电压就不会变反向。
与此同时,因为存储了大量电荷,此时PN结可以看成良导体,电流立马反向,反向电流为(Vr+Va)/Rr。
不过需要注意,这时电流的成因是少数载流子反向运动的结果,随着时间推移,少数载流子数量是越来越少的。
![二极管结电容,二极管反向恢复时间](http://www.ejiguan.cn/uploadfile/2021/0709/20210709035635578.png)
![二极管结电容,二极管反向恢复时间](http://www.ejiguan.cn/uploadfile/2021/0709/20210709035635578.png)
在t=ts时,PN结中心处少数载流子被消耗光了,此时PN结的内建电场区开始建立,二极管开始恢复阻断能力。在这之后,P区和N区剩余的载流子已经不能反向运动了,因为中间断了。不过,P区和N区还有剩余的载流子存在,并不为0,几个时刻的载流子浓度分布如下图。
![二极管结电容,二极管反向恢复时间](http://www.ejiguan.cn/uploadfile/2021/0709/20210709035650577.png)
![二极管结电容,二极管反向恢复时间](http://www.ejiguan.cn/uploadfile/2021/0709/20210709035650577.png)
在t>ts之后,中间被阻断,那是不是整体电流就立马下降到0呢?其实不是的,电流还是存在的,因为P区和N区各自剩余的少数载流子并没有达到热平衡,最终会复合消失,这个复合会产生电流。
这个可能不好理解,中间都断了,不允许电荷穿过,怎么还能有电流呢?
我是这么想的,P区剩余的少数载流子是电子,前面说过,这导致P区整体看起来带负电。复合完成之后,P区整体是不带电的,这些电荷必然是慢慢回到了电源,那自然就有了电流。
这类似于电容充放电会形成电流,电容充放电时,两极板中间绝缘,也不会有电荷移动。
所以,尽管中间阻断了,也还是有电流的,只有当重新达到热平衡,复合电流才会为0。
整个过程,电源电压,二极管两端电压,反向电流的波形图如下所示,图中的trr就是反向恢复时间
![二极管结电容,二极管反向恢复时间](http://www.ejiguan.cn/uploadfile/2021/0709/20210709035716707.png)
![二极管结电容,二极管反向恢复时间](http://www.ejiguan.cn/uploadfile/2021/0709/20210709035716707.png)
如果上网多看看的话,我们有时也会看到这样的图,二极管反向电流最大值的地方并不是平的,并且二极管两端电压会出现反向尖峰。
![二极管结电容,二极管反向恢复时间](http://www.ejiguan.cn/uploadfile/2021/0709/20210709035736966.png)
![二极管结电容,二极管反向恢复时间](http://www.ejiguan.cn/uploadfile/2021/0709/20210709035736966.png)
那到底哪个图是对的呢?
其实,这个差异,仅仅只是电路的不同。如果看明白前面说的二极管反向恢复电流的形成过程,这个图也就能理解了。
前面画的波形,我们的电路中串联有电阻,当没有这个电阻的时候,或者说电阻很小的时候。反向电流会非常大,而从正向电流变为反向电流,这需要时间,这会导致di/dt非常大。此时,电路中的电感就不能忽略了,因为有电感的存在,导致二极管两端会存在比电源还大的电压,也就是反向电压尖峰。
![二极管结电容,二极管反向恢复时间](http://www.ejiguan.cn/uploadfile/2021/0709/20210709035752903.png)
![二极管结电容,二极管反向恢复时间](http://www.ejiguan.cn/uploadfile/2021/0709/20210709035752903.png)
整个过程如下:
在t<0时,电感有正向的电流。
在t=0时,电源突然反向,因为二极管内部充满电荷,此时相当于导体,所以压降很小,这导致反向电压全都落在了电感上面,因此电流以斜率为di/dt=(Vr+Va)/L下降。
在t=ts时,二极管开始恢复阻断能力,此时电流达到最大,随后反向电流会下降。
在t>ts后,二极管的电流为复合电流,随着载流子越来越少,电流也越来越小。此时电感会阻碍电流变小,因此会产生反向感应电压,这会导致在二极管两侧的反向电压比电源电压还大,也就是会出现反向电压尖峰Vrm。随着时间越来越长,复合电流基本为0了,电感电压也就基本为0了,此时二极管两端电压也就等于电源电压Vr。
总的来说,反向恢复时间就是正向导通时PN结存储的电荷耗尽所需要的时间。
因此,就很容易明白下面这些:
1、反向电源电压越小,反向恢复电流越小,电荷耗尽越慢,反向恢复时间越长。
2、正向电流越大,存储的电荷越多,耗尽时间越长,反向恢复时间越长。
3、半导体材料的载流子复合效率越低,寿命越长,电荷耗尽时间越长,反向恢复时间越长。
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