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什么是二极管的反向恢复时间

二极管的结电容分两种:势垒电容和扩散电容。而一般数据手册给到的结电容参数,通常指的是势垒电容。

上面这个是ES1J超快恢复二极管数据手册的结电容参数Cj=8pF。同时我们知道,对于常用的二极管来说,它有普通整流二极管、快恢复二极管、超快恢复二极管、肖特基二极管等。那么什么是二极管的反向恢复时间呢?它和结电容之间有什么关系呢?下面列举常用二极管的反向恢复时间:

普通二极管:反向恢复时间一般 >500ns以上;

快恢复二极管:反向恢复时间一般在150ns-500ns之间;

超快恢复二极管:反向恢复时间一般在15ns-35ns之间;

肖特基二极管:反向恢复时间一般<10ns,也有个别在20ns这个量级。

什么是二极管的反向恢复时间

我们一般都认为,二极管的反向恢复时间和它的结电容有关。结电容越大,反向恢复时间越长;结电容越小,反向恢复时间越短。也有人常说的快管和慢管。我们把这几种具有代表性的二极管结电容参数放在一起进行对比看看是否如上所述:

序号 种类 型号 结电容 反向恢复时间 封装 品牌
1 普通整流二极管 1N4007 15pF 1us DO-41 固锝
2 快恢复二极管 1N4933G 10pF 150ns DO-41 杨杰
3 超快恢复二极管 ES1J 8pF 35ns SMA 安森美
4 肖特基二极管 1N5819W 110pF 10ns DO-41 固锝
5 开二极关管 1N4148 4PF 4ns DOS-323 强茂

根据上面列的数据可以看出来,反向恢复时间并不和数据手册表示的结电容参数有关。那么,我们研究一下,这里的结电容和反向恢复时间到底指的是什么呢?正如一开始所讲的,二极管的结电容分为2种:势垒电容和扩散电容。下面就从这个角度出发,深入挖掘一下,从本质上理解它们的含义。

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。

当给PN结加上反向电压,内电场区的厚度随着反向电压的大小而改变。如果反向电压增大,那么内电场区厚度也增加,即内部电荷增多。反之,如果反向电压减小,那么内部电荷减少。

如果把PN结等效为右边的势垒电容这幅图的话,就相当于电容的充放电。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。势垒电容的大小和外加反向电压有关,所以,不同反向电压下,势垒电容的大小也是不同的。

我们还是以ES1J数据手册里面的结电容Cj为例,厂家给了测试条件:VR=4V,f=1MHz。这里VR指的是反向电压,R指的是Reverse反向的意思。所以,二极管数据手册里面的结电容指的是势垒电容。那么,也就是势垒电容的大小和反向恢复时间没有直接联系。

这里再插入讲一下,对于势垒电容和扩散电容,确实不是很容易从直觉上理解,我们可以根据下面所讲的,从直观上这么来理解:

如果加反向电压的话,源的正极相当于把N区的电子吸过来;源的负极相当于把P区的空穴吸过去。它们各自的运动是背离的。这样,中间就构成了一个空间电荷区。为什么说是电荷区呢?因为当N区的电子被吸走后,它就带正电荷;P区的空穴被吸走后,它就带负电荷。所以,左边的正电荷和右边的负电荷构成了内电场。如果外加的反向电压越高,各自被吸走的电子和空穴也就越多,那么正负电荷也就越多,内电场也就越强。体现在中间的PN结,就是反向电压越高,厚度更宽。建立了一道厚厚的城墙壁垒,构成了势垒电容。下面来看一下什么是二极管的扩散电容。

扩散电容

什么是扩散电容: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。

我们根据它的定义,用一幅图来描述一下。

如果加正向电压的话,源的正极吸引对面N区的电子,同时排斥P区的空穴;源的负极吸引对面P区的空穴,同时排斥N区的电子。也就是异性相吸,同性相斥的原理。这样的话,正负极相互促进,一拉一推,电子和空穴就会相互移动并结合,产生了扩散运动。但是需要注意的是,在电子和空穴相互移动的时候,并不全部在PN结这个地方结合。而是越靠近PN结,结合的越多,还有一些漏网之鱼扩散到更远的地方结合,这就是扩散运动了。

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。

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。这里的二极管外部电压指的是二极管正向电压VF稳定不变,其实它和正向电流IF成正比关系,也就是说,当正向电流IF稳定不变,电子和空穴的浓度也是稳定的。通过下面这幅图也能看出VF和 IF的关系。

但是,如果电压发生变化,比如正向电压降低,也就是电流减小,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。

这就是电容。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?

扩散电容:

什么是二极管的反向恢复时间

A:PN结的面积 什么是二极管的反向恢复时间:电子扩散长度
e:电子电荷量 什么是二极管的反向恢复时间:空穴扩散长度
什么是二极管的反向恢复时间:P区热平衡电子浓度 什么是二极管的反向恢复时间:玻尔兹曼常数
什么是二极管的反向恢复时间:N区热平衡空穴浓度 T:温度
V:正向压降

扩散电容随正向偏压V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。

PN结电流方程:

什么是二极管的反向恢复时间

什么是二极管的反向恢复时间:反向饱和电流 T:温度
e:电子电荷量 V:正向压降
什么是二极管的反向恢复时间:玻尔兹曼常数

如上所示,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。

可能有的人有这样的疑问:既然是少子构成的扩散电容,那么多子呢?

我们继续观察上面这幅图。少子,指的是左边N区的空穴,右边P区中的电子。但是也要知道N区还有更多的电子,P区还有更多的空穴。难道扩散电容和它们没关系吗?为什么是少子构成了扩散电容呢?我们看下面这幅图。

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。

按照直觉上来认为的话,如果加上正向电压,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区是电中性的。

但直觉毕竟是直觉,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。

责任编辑:haq

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