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二極管結(jié)電容,二極管反向恢復(fù)時(shí)間是怎么來(lái)的
  • 發(fā)布時(shí)間:2021-07-09 15:32:43
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二極管結(jié)電容,二極管反向恢復(fù)時(shí)間是怎么來(lái)的 
二極管的反向恢復(fù)時(shí)間并不等于規(guī)格書中結(jié)電容的充放電時(shí)間。這個(gè)結(jié)論是從二極管的規(guī)格書參數(shù)中直接得來(lái)的,并沒(méi)有正面說(shuō)明為啥。
下面就來(lái)正面剛…
結(jié)電容
先說(shuō)結(jié)電容。
二極管結(jié)電容,二極管反向恢復(fù)時(shí)間
二極管是兩個(gè)管腳的器件,說(shuō)來(lái)不怕丟人,我曾誤以為:二極管的結(jié)電容就是它的兩個(gè)管腳形成的寄生電容,因?yàn)閮蓚€(gè)極板放到一起,就構(gòu)成了一個(gè)電容。
當(dāng)然了,兩個(gè)管腳確實(shí)會(huì)形成電容,不過(guò)這個(gè)電容很小,相比結(jié)電容來(lái)說(shuō),可以忽略不計(jì)了。
那結(jié)電容到底指的是什么呢?所有的道理,其實(shí)都在PN結(jié)里面,我們稍稍深入了解下PN結(jié),答案就出來(lái)了。
結(jié)電容有兩種,分別是勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容。
勢(shì)壘電容
我們知道,P區(qū)空穴多,N區(qū)電子多,因?yàn)閿U(kuò)散,會(huì)在中間形成內(nèi)建電場(chǎng)區(qū)。N區(qū)那邊失去電子帶正電荷,P區(qū)那邊得到電子帶負(fù)電荷。
二極管結(jié)電容,二極管反向恢復(fù)時(shí)間
當(dāng)給PN結(jié)加上穩(wěn)定的電壓,那么穩(wěn)定后,內(nèi)建電場(chǎng)區(qū)的厚度也會(huì)穩(wěn)定為一個(gè)值,也就是說(shuō)內(nèi)部電荷一定。如果PN結(jié)上的電壓向反偏的方向增大,那么內(nèi)建電場(chǎng)區(qū)厚度也增加,即內(nèi)部電荷增多。反之,如果電壓減小,那么內(nèi)部電荷減少。
這樣一看,不就和電容充放電現(xiàn)象一樣嗎?
PN結(jié)兩端電壓變化,引起積累在中間區(qū)域的電荷數(shù)量的改變,從而呈現(xiàn)電容效應(yīng),這個(gè)電容就是勢(shì)壘電容。
上面是對(duì)結(jié)電容的理解,那么這個(gè)結(jié)電容大小等于多少呢?如下圖
二極管結(jié)電容,二極管反向恢復(fù)時(shí)間
我們知道,勢(shì)壘寬度,也就是內(nèi)建電場(chǎng)區(qū)的寬度,是與電壓相關(guān)的。所以說(shuō),不同的電壓下,勢(shì)壘電容的大小也是不同的。
所以,當(dāng)你隨意翻開(kāi)某二極管的規(guī)格書,你看到的結(jié)電容參數(shù),它會(huì)指定測(cè)試條件。通常這個(gè)條件是1MHz,電壓為-4V(反偏)。
二極管結(jié)電容,二極管反向恢復(fù)時(shí)間
事實(shí)表明,二極管在反偏時(shí),勢(shì)壘電容起主要作用,而正偏時(shí),擴(kuò)散電容起主要作用。下面看看擴(kuò)散電容。
擴(kuò)散電容
相比與勢(shì)壘電容,擴(kuò)散電容要更難以理解。
我先擺出文字定義
擴(kuò)散電容:當(dāng)有外加正向偏壓時(shí),在 p-n 結(jié)兩側(cè)的少子擴(kuò)散區(qū)內(nèi),都有一定的少數(shù)載流子的積累,而且它們的密度隨電壓而變化,形成一個(gè)附加的電容效應(yīng),稱為擴(kuò)散電容。
下面看看這一段話怎么理解。
當(dāng)PN結(jié)加上正向電壓,內(nèi)部電場(chǎng)區(qū)被削弱,因?yàn)闈舛炔町?,P區(qū)空穴向N區(qū)擴(kuò)散,N區(qū)的電子向P區(qū)擴(kuò)散。
二極管結(jié)電容,二極管反向恢復(fù)時(shí)間
擴(kuò)散的空穴和電子在內(nèi)部電場(chǎng)區(qū)相遇,會(huì)有部分空穴和電子復(fù)合而消失,也有部分沒(méi)有消失。沒(méi)有復(fù)合的空穴和電子穿過(guò)內(nèi)部電場(chǎng)區(qū),空穴進(jìn)入N區(qū),電子進(jìn)入P區(qū)。
進(jìn)入N區(qū)的空穴,并不是立馬和N區(qū)的多子-電子復(fù)合消失,而是在一定的距離內(nèi),一部分繼續(xù)擴(kuò)散,一部分與N區(qū)的電子復(fù)合消失。
顯然,N區(qū)中靠近內(nèi)部電場(chǎng)區(qū)處的空穴濃度是最高的,距離N區(qū)越遠(yuǎn),濃度越低,因?yàn)榭昭ú粩鄰?fù)合消失。同理,P區(qū)也是一樣,濃度隨著遠(yuǎn)離內(nèi)部電場(chǎng)區(qū)而逐漸降低??傮w濃度分布如下圖所示。
二極管結(jié)電容,二極管反向恢復(fù)時(shí)間
當(dāng)外部電壓穩(wěn)定不變的時(shí)候,最終P區(qū)中的電子,N區(qū)中的空穴濃度也是穩(wěn)定的。也就是說(shuō),P區(qū)中存儲(chǔ)了數(shù)量一定的電子,N區(qū)中存儲(chǔ)了數(shù)量一定的空穴。如果外部電壓不變,存儲(chǔ)的電子和空穴數(shù)量就不會(huì)發(fā)生變化,也就是說(shuō)穩(wěn)定存儲(chǔ)了一定的電荷。
但是,如果電壓發(fā)生變化,比如正向電壓降低,電流減小,單位時(shí)間內(nèi)涌入N區(qū)中的空穴也會(huì)減小,這樣N區(qū)中空穴濃度必然會(huì)降低。同理,P區(qū)中電子濃度也降低。所以,穩(wěn)定后,存儲(chǔ)的電子和空穴的數(shù)量想比之前會(huì)更少,也就是說(shuō)存儲(chǔ)的電荷就變少了。
二極管結(jié)電容,二極管反向恢復(fù)時(shí)間
這不就是一個(gè)電容嗎?電壓變化,存儲(chǔ)的電荷量也發(fā)生了變化,跟電容的表現(xiàn)一模一樣,這電容就是擴(kuò)散電容了。
那這個(gè)電容大小是多少呢?
二極管結(jié)電容,二極管反向恢復(fù)時(shí)間
擴(kuò)散電容隨正向偏壓按指數(shù)規(guī)律增加。這也是擴(kuò)散電容在大的正向偏壓下起主要作用的原因。
二極管結(jié)電容,二極管反向恢復(fù)時(shí)間
如上圖,二極管的電流也與正向偏壓按指數(shù)規(guī)律增加,所以,擴(kuò)散電容的大小與電流的大小差不多是正比的關(guān)系。
問(wèn)題困擾
關(guān)于擴(kuò)散電容,曾經(jīng)有一個(gè)問(wèn)題困擾了我:為什么是少數(shù)載流子的積累呈現(xiàn)電容效應(yīng)?多子不行嗎?
二極管結(jié)電容,二極管反向恢復(fù)時(shí)間
少數(shù)載流子,指的是N區(qū)中的空穴,P區(qū)中的電子。要知道,N區(qū)中有更多的電子,就因?yàn)镻區(qū)中的空穴擴(kuò)散到N區(qū),N區(qū)就帶正電了嗎?
事實(shí)確實(shí)是如此的,這需要我們發(fā)揮下想象力。
假如沒(méi)有擴(kuò)散作用,N區(qū)中電子是多子,且電子帶負(fù)電,但是整個(gè)N區(qū)是電中性的,因?yàn)镹區(qū)是硅原子和正五價(jià)原子構(gòu)成,它們都是中性的。同理P區(qū)中空穴是多子,整體也是電中性的。
二極管結(jié)電容,二極管反向恢復(fù)時(shí)間
現(xiàn)在將N區(qū)和P區(qū)放到一起,并加上正電壓,就有了正向電流。N區(qū)的電子向P區(qū)移動(dòng),P區(qū)的空穴向N區(qū)移動(dòng),如果電子和空穴都在交界處復(fù)合消失,那么N區(qū)和P區(qū)還是電中性的。
但事實(shí)是,電子和空穴有的會(huì)擦肩而過(guò),電子會(huì)在沖進(jìn)P區(qū),空穴也會(huì)沖進(jìn)N區(qū)。盡管P區(qū)有很多空穴,電子進(jìn)入后也不會(huì)馬上和空穴復(fù)合消失,而是會(huì)存在一段時(shí)間。這時(shí)如果我們看P區(qū)整體,它不再是電中性了,它有了凈電荷。電荷數(shù)量就是還沒(méi)有復(fù)合的電子數(shù)量,也就是少數(shù)載流子的數(shù)量。同理,N區(qū)也有凈電荷,為少數(shù)載流子空穴的數(shù)量。
所以說(shuō),擴(kuò)散電容是少數(shù)載流子的積累效應(yīng)。
事實(shí)表明,PN結(jié)正偏的時(shí)候,結(jié)電容主要是擴(kuò)散電容,PN結(jié)反偏的時(shí)候,結(jié)電容主要是勢(shì)壘電容。
說(shuō)我二極管的結(jié)電容,再來(lái)看看反向恢復(fù)時(shí)間。
反向恢復(fù)時(shí)間
由PN結(jié)構(gòu)成的二極管都會(huì)有一個(gè)trr的參數(shù),這個(gè)參數(shù)就是二極管的反向恢復(fù)時(shí)間。
二極管結(jié)電容,二極管反向恢復(fù)時(shí)間
從上一節(jié)內(nèi)容我們知道,trr這個(gè)參數(shù)決定了二極管的最高工作頻率。
那反向恢復(fù)時(shí)間到底是怎么來(lái)的呢?我們來(lái)看下面這個(gè)圖
二極管結(jié)電容,二極管反向恢復(fù)時(shí)間
在t<0時(shí),二極管接正向電源,正向電流為(Vf-Va)/Rf。
可以想象,此時(shí)PN結(jié)處充斥的很多的載流子,也就是存儲(chǔ)了很多的電荷。
如果我們開(kāi)啟上帝視角,會(huì)發(fā)現(xiàn),整個(gè)PN結(jié),包括內(nèi)建電場(chǎng)區(qū),到處都有載流子存在。也就是說(shuō),現(xiàn)在整個(gè)PN結(jié)相當(dāng)于是良導(dǎo)體,如果電源迅速反向,電流也是可以迅速反向的。
二極管結(jié)電容,二極管反向恢復(fù)時(shí)間
在t=0時(shí),二極管接反向電源,但是此時(shí)PN結(jié)正偏的特性不會(huì)馬上改變。
為什么PN結(jié)的正偏特性不會(huì)改變呢?
可以這么看,PN結(jié)反偏時(shí)內(nèi)建電場(chǎng)區(qū)是基本沒(méi)有電荷的,很明顯,現(xiàn)在存了很多電荷,不把這些電荷搞掉,正偏特性不會(huì)變化的。也可以理解為是結(jié)電容導(dǎo)致電壓不能突變,電荷沒(méi)放完,結(jié)兩端的電壓就不會(huì)變反向。
與此同時(shí),因?yàn)榇鎯?chǔ)了大量電荷,此時(shí)PN結(jié)可以看成良導(dǎo)體,電流立馬反向,反向電流為(Vr+Va)/Rr。
不過(guò)需要注意,這時(shí)電流的成因是少數(shù)載流子反向運(yùn)動(dòng)的結(jié)果,隨著時(shí)間推移,少數(shù)載流子數(shù)量是越來(lái)越少的。
二極管結(jié)電容,二極管反向恢復(fù)時(shí)間
在t=ts時(shí),PN結(jié)中心處少數(shù)載流子被消耗光了,此時(shí)PN結(jié)的內(nèi)建電場(chǎng)區(qū)開(kāi)始建立,二極管開(kāi)始恢復(fù)阻斷能力。在這之后,P區(qū)和N區(qū)剩余的載流子已經(jīng)不能反向運(yùn)動(dòng)了,因?yàn)橹虚g斷了。不過(guò),P區(qū)和N區(qū)還有剩余的載流子存在,并不為0,幾個(gè)時(shí)刻的載流子濃度分布如下圖。
二極管結(jié)電容,二極管反向恢復(fù)時(shí)間
在t>ts之后,中間被阻斷,那是不是整體電流就立馬下降到0呢?其實(shí)不是的,電流還是存在的,因?yàn)镻區(qū)和N區(qū)各自剩余的少數(shù)載流子并沒(méi)有達(dá)到熱平衡,最終會(huì)復(fù)合消失,這個(gè)復(fù)合會(huì)產(chǎn)生電流。
這個(gè)可能不好理解,中間都斷了,不允許電荷穿過(guò),怎么還能有電流呢?
我是這么想的,P區(qū)剩余的少數(shù)載流子是電子,前面說(shuō)過(guò),這導(dǎo)致P區(qū)整體看起來(lái)帶負(fù)電。復(fù)合完成之后,P區(qū)整體是不帶電的,這些電荷必然是慢慢回到了電源,那自然就有了電流。
這類似于電容充放電會(huì)形成電流,電容充放電時(shí),兩極板中間絕緣,也不會(huì)有電荷移動(dòng)。
所以,盡管中間阻斷了,也還是有電流的,只有當(dāng)重新達(dá)到熱平衡,復(fù)合電流才會(huì)為0。
整個(gè)過(guò)程,電源電壓,二極管兩端電壓,反向電流的波形圖如下所示,圖中的trr就是反向恢復(fù)時(shí)間
二極管結(jié)電容,二極管反向恢復(fù)時(shí)間
如果上網(wǎng)多看看的話,我們有時(shí)也會(huì)看到這樣的圖,二極管反向電流最大值的地方并不是平的,并且二極管兩端電壓會(huì)出現(xiàn)反向尖峰。
二極管結(jié)電容,二極管反向恢復(fù)時(shí)間
那到底哪個(gè)圖是對(duì)的呢?
其實(shí),這個(gè)差異,僅僅只是電路的不同。如果看明白前面說(shuō)的二極管反向恢復(fù)電流的形成過(guò)程,這個(gè)圖也就能理解了。
前面畫的波形,我們的電路中串聯(lián)有電阻,當(dāng)沒(méi)有這個(gè)電阻的時(shí)候,或者說(shuō)電阻很小的時(shí)候。反向電流會(huì)非常大,而從正向電流變?yōu)榉聪螂娏?,這需要時(shí)間,這會(huì)導(dǎo)致di/dt非常大。此時(shí),電路中的電感就不能忽略了,因?yàn)橛须姼械拇嬖冢瑢?dǎo)致二極管兩端會(huì)存在比電源還大的電壓,也就是反向電壓尖峰。
二極管結(jié)電容,二極管反向恢復(fù)時(shí)間
整個(gè)過(guò)程如下:
在t<0時(shí),電感有正向的電流。
在t=0時(shí),電源突然反向,因?yàn)槎O管內(nèi)部充滿電荷,此時(shí)相當(dāng)于導(dǎo)體,所以壓降很小,這導(dǎo)致反向電壓全都落在了電感上面,因此電流以斜率為di/dt=(Vr+Va)/L下降。
在t=ts時(shí),二極管開(kāi)始恢復(fù)阻斷能力,此時(shí)電流達(dá)到最大,隨后反向電流會(huì)下降。
在t>ts后,二極管的電流為復(fù)合電流,隨著載流子越來(lái)越少,電流也越來(lái)越小。此時(shí)電感會(huì)阻礙電流變小,因此會(huì)產(chǎn)生反向感應(yīng)電壓,這會(huì)導(dǎo)致在二極管兩側(cè)的反向電壓比電源電壓還大,也就是會(huì)出現(xiàn)反向電壓尖峰Vrm。隨著時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng),復(fù)合電流基本為0了,電感電壓也就基本為0了,此時(shí)二極管兩端電壓也就等于電源電壓Vr。
總的來(lái)說(shuō),反向恢復(fù)時(shí)間就是正向?qū)〞r(shí)PN結(jié)存儲(chǔ)的電荷耗盡所需要的時(shí)間。
因此,就很容易明白下面這些:
1、反向電源電壓越小,反向恢復(fù)電流越小,電荷耗盡越慢,反向恢復(fù)時(shí)間越長(zhǎng)。
2、正向電流越大,存儲(chǔ)的電荷越多,耗盡時(shí)間越長(zhǎng),反向恢復(fù)時(shí)間越長(zhǎng)。
3、半導(dǎo)體材料的載流子復(fù)合效率越低,壽命越長(zhǎng),電荷耗盡時(shí)間越長(zhǎng),反向恢復(fù)時(shí)間越長(zhǎng)。
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