二極管的反向恢復(fù)時間并不等于規(guī)格書中結(jié)電容的充放電時間。這個結(jié)論是從二極管的規(guī)格書參數(shù)中直接得來的，并沒有正面說明為啥。
下面就來正面剛…
結(jié)電容
先說結(jié)電容。
二極管是兩個管腳的器件，說來不怕丟人，我曾誤以為：二極管的結(jié)電容就是它的兩個管腳形成的寄生電容，因為兩個極板放到一起，就構(gòu)成了一個電容。
當(dāng)然了，兩個管腳確實會形成電容，不過這個電容很小，相比結(jié)電容來說，可以忽略不計了。
那結(jié)電容到底指的是什么呢？所有的道理，其實都在PN結(jié)里面，我們稍稍深入了解下PN結(jié)，答案就出來了。
結(jié)電容有兩種，分別是勢壘電容和擴(kuò)散電容。
勢壘電容
我們知道，P區(qū)空穴多，N區(qū)電子多，因為擴(kuò)散，會在中間形成內(nèi)建電場區(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。
當(dāng)給PN結(jié)加上穩(wěn)定的電壓，那么穩(wěn)定后，內(nèi)建電場區(qū)的厚度也會穩(wěn)定為一個值，也就是說內(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)，這個電容就是勢壘電容。
上面是對結(jié)電容的理解，那么這個結(jié)電容大小等于多少呢？如下圖
我們知道，勢壘寬度，也就是內(nèi)建電場區(qū)的寬度，是與電壓相關(guān)的。所以說，不同的電壓下，勢壘電容的大小也是不同的。
所以，當(dāng)你隨意翻開某二極管的規(guī)格書，你看到的結(jié)電容參數(shù)，它會指定測試條件。通常這個條件是1MHz，電壓為-4V（反偏）。
事實表明，二極管在反偏時，勢壘電容起主要作用，而正偏時，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，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)部電場區(qū)被削弱，因為濃度差異，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。
擴(kuò)散的空穴和電子在內(nèi)部電場區(qū)相遇，會有部分空穴和電子復(fù)合而消失，也有部分沒有消失。沒有復(fù)合的空穴和電子穿過內(nèi)部電場區(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，因為空穴不斷復(fù)合消失。同理，P區(qū)也是一樣，濃度隨著遠(yuǎn)離內(nèi)部電場區(qū)而逐漸降低?？傮w濃度分布如下圖所示。
當(dāng)外部電壓穩(wěn)定不變的時候，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，P區(qū)中存儲了數(shù)量一定的電子，N區(qū)中存儲了數(shù)量一定的空穴。如果外部電壓不變，存儲的電子和空穴數(shù)量就不會發(fā)生變化，也就是說穩(wěn)定存儲了一定的電荷。
但是，如果電壓發(fā)生變化，比如正向電壓降低，電流減小，單位時間內(nèi)涌入N區(qū)中的空穴也會減小，這樣N區(qū)中空穴濃度必然會降低。同理，P區(qū)中電子濃度也降低。所以，穩(wěn)定后，存儲的電子和空穴的數(shù)量想比之前會更少，也就是說存儲的電荷就變少了。
這不就是一個電容嗎？電壓變化，存儲的電荷量也發(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。
那這個電容大小是多少呢？
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。
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。
問題困擾
關(guān)于擴(kuò)散電容，曾經(jīng)有一個問題困擾了我：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？
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，就因為P區(qū)中的空穴擴(kuò)散到N區(qū)，N區(qū)就帶正電了嗎？
事實確實是如此的，這需要我們發(fā)揮下想象力。
假如沒有擴(kuò)散作用，N區(qū)中電子是多子，且電子帶負(fù)電，但是整個N區(qū)是電中性的，因為N區(qū)是硅原子和正五價原子構(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。
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，P區(qū)的空穴向N區(qū)移動，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。
但事實是，電子和空穴有的會擦肩而過，電子會在沖進(jìn)P區(qū)，空穴也會沖進(jìn)N區(qū)。盡管P區(qū)有很多空穴，電子進(jìn)入后也不會馬上和空穴復(fù)合消失，而是會存在一段時間。這時如果我們看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，擴(kuò)散電容是少數(shù)載流子的積累效應(yīng)。
事實表明，PN結(jié)正偏的時候，結(jié)電容主要是擴(kuò)散電容，PN結(jié)反偏的時候，結(jié)電容主要是勢壘電容。
說我二極管的結(jié)電容，再來看看反向恢復(fù)時間。
反向恢復(fù)時間
由PN結(jié)構(gòu)成的二極管都會有一個trr的參數(shù)，這個參數(shù)就是二極管的反向恢復(fù)時間。
從上一節(jié)內(nèi)容我們知道，trr這個參數(shù)決定了二極管的最高工作頻率。
那反向恢復(fù)時間到底是怎么來的呢？我們來看下面這個圖
在t＜0時，二極管接正向電源，正向電流為（Vf-Va）/Rf。
可以想象，此時PN結(jié)處充斥的很多的載流子，也就是存儲了很多的電荷。
如果我們開啟上帝視角，會發(fā)現(xiàn)，整個PN結(jié)，包括內(nèi)建電場區(qū)，到處都有載流子存在。也就是說，現(xiàn)在整個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。
在t=0時，二極管接反向電源，但是此時PN結(jié)正偏的特性不會馬上改變。
為什么PN結(jié)的正偏特性不會改變呢？
可以這么看，PN結(jié)反偏時內(nèi)建電場區(qū)是基本沒有電荷的，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，電荷沒放完，結(jié)兩端的電壓就不會變反向。
與此同時，因為存儲了大量電荷，此時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。
不過需要注意，這時電流的成因是少數(shù)載流子反向運動的結(jié)果，隨著時間推移，少數(shù)載流子數(shù)量是越來越少的。
在t=ts時，PN結(jié)中心處少數(shù)載流子被消耗光了，此時PN結(jié)的內(nèi)建電場區(qū)開始建立，二極管開始恢復(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)不能反向運動了，因為中間斷了。不過，P區(qū)和N區(qū)還有剩余的載流子存在，并不為0，幾個時刻的載流子濃度分布如下圖。
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？其實不是的，電流還是存在的，因為P區(qū)和N區(qū)各自剩余的少數(shù)載流子并沒有達(dá)到熱平衡，最終會復(fù)合消失，這個復(fù)合會產(chǎn)生電流。
這個可能不好理解，中間都斷了，不允許電荷穿過，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，前面說過，這導(dǎo)致P區(qū)整體看起來帶負(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形成電流，電容充放電時，兩極板中間絕緣，也不會有電荷移動。
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)合電流才會為0。
整個過程，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)時間
如果上網(wǎng)多看看的話，我們有時也會看到這樣的圖，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出現(xiàn)反向尖峰。
那到底哪個圖是對的呢？
其實，這個差異，僅僅只是電路的不同。如果看明白前面說的二極管反向恢復(fù)電流的形成過程，這個圖也就能理解了。
前面畫的波形，我們的電路中串聯(lián)有電阻，當(dāng)沒有這個電阻的時候，或者說電阻很小的時候。反向電流會非常大，而從正向電流變?yōu)榉聪螂娏?，這需要時間，這會導(dǎo)致di/dt非常大。此時，電路中的電感就不能忽略了，因為有電感的存在，導(dǎo)致二極管兩端會存在比電源還大的電壓，也就是反向電壓尖峰。
整個過程如下：
在t<0時，電感有正向的電流。
在t=0時，電源突然反向，因為二極管內(nèi)部充滿電荷，此時相當(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，二極管開始恢復(fù)阻斷能力，此時電流達(dá)到最大，隨后反向電流會下降。
在t>ts后，二極管的電流為復(fù)合電流，隨著載流子越來越少，電流也越來越小。此時電感會阻礙電流變小，因此會產(chǎn)生反向感應(yīng)電壓，這會導(dǎo)致在二極管兩側(cè)的反向電壓比電源電壓還大，也就是會出現(xiàn)反向電壓尖峰Vrm。隨著時間越來越長，復(fù)合電流基本為0了，電感電壓也就基本為0了，此時二極管兩端電壓也就等于電源電壓Vr。
總的來說，反向恢復(fù)時間就是正向?qū)〞rPN結(jié)存儲的電荷耗盡所需要的時間。
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)時間越長。
2、正向電流越大，存儲的電荷越多，耗盡時間越長，反向恢復(fù)時間越長。
3、半導(dǎo)體材料的載流子復(fù)合效率越低，壽命越長，電荷耗盡時間越長，反向恢復(fù)時間越長。
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