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。
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
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）。
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。
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。
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。
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？
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(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？
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。
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。
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
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。
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。
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(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。
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
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。
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。
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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