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反向恢复时间——二极管

1,1122021-04-01
PN结二极管经常用来制作电开关。在正偏状态，即开态，很小的外加电压就能产生较大的电流；在反偏状态，即关态，只有很小的电流存在于PN结内。我们感兴趣的开关电路参数就是电路的开关速度。下面的内容会定性地讨论二极管的开关瞬态以及电荷的存储效应。在不经任何数学推导的情况下，简单给出描述开关时间的表达式。

二极管的作用
利用二极管正、反向电流相差悬殊这一特性，可以把二极管作开关使用。
  • 当开关K打向A时，二极管处于正向，电流很大，相当于接有负载的外回路与电源相连的开关闭合，回路处于接通状态（开态）；
  • 当开关K打向B时，二极管处于反向，反向电流很小，相当于外回路的开关断开，回路处于断开状态（关态）。
 V1为外加电源电压，VJ为二极管的正向压降，对硅管VJ约为0.7V，锗管VJ约为0.25V，RL为负载电阻。
    
在开态时，流过负载的稳态电流为I1：
 
   
通常VJ远小于V1，所以上式可近似写为：
    
在关态时，流过负载的电流就是二极管的反向电流IR。
假设外加脉冲的波形如图(a)所示，则流过二极管的电流就如图(b)所示。
    
接通过程中，二极管P区向N区输运大量空穴，N区向P区输运大量电子。随着时间的延长，N区内空穴和P区内电子不断增加，直到稳态时停止。在稳态时，流入N区的空穴正好与N区内复合掉的空穴数目相等，流入P区的电子也正好与P区内复合掉的电子数目相等，达到动态平衡，流过P-N结的电流为一常数I1。
    
随着势垒区边界上的空穴和电子密度的增加，P-N结上的电压逐步上升，在稳态即为VJ。此时，二极管就工作在导通状态。

 

当某一时刻在外电路上加的正脉冲跳变为负脉冲时：
正向时积累在各区的大量少子要被反向偏置电压拉回到原来的区域，开始时的瞬间，流过P-N结的反向电流很大，经过一段时间后，原本积累的载流子一部分通过复合，一部分被拉回原来的区域，反向电流才恢复到正常情况下的反向漏电流值IR。
    
正向导通时少数载流子积累的现象称为电荷储存效应。二极管的反向恢复过程就是由于电荷储存所引起的。反向电流保持不变的这段时间就称为储存时间ts。在ts之后，P-N结上的电流到达反向饱和电流IR，P-N结达到平衡。定义流过P-N结的反向电流由I2下降到0.1 I2时所需的时间为下降时间tf。储存时间和下降时间之和为（ts+tf）称为P-N结的关断时间（即为反向恢复时间）。

 

反向恢复时间限制了二极管的开关速度：
  • 如果脉冲持续时间比二极管反向恢复时间长得多，这时负脉冲能使二极管彻底关断，起到良好的开关作用；
  • 如果脉冲持续时间和二极管的反向恢复时间差不多甚至更短的话，这时由于反向恢复过程的影响，负脉冲不能使二极管关断。
   
所以要保持良好的开关作用，脉冲持续时间不能太短，也就意味着脉冲的重复频率不能太高，这就限制了开关的速度。