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二極管從正向?qū)ǖ浇刂褂幸粋€反向恢復(fù)過程

 

在上圖所示的硅二極管電路中加入一個如下圖所示的輸入電壓。在0―t1時間內(nèi)，輸入為+VF，二極管導(dǎo)通，電路中有電流流通。

設(shè)VD為二極管正向壓降（硅管為0.7V左右），當(dāng)VF遠(yuǎn)大于VD時，VD可略去不計，則
 
  在t1時，V1突然從+VF變?yōu)?VR。在理想情況下 ，二極管將立刻轉(zhuǎn)為截止，電路中應(yīng)只有很小的反向電流。但實際情況是，二極管并不立刻截止，而是先由正向的IF變到一個很大的反向電流IR=VR／RL，這個電流維持一段時間tS后才開始逐漸下降，再經(jīng)過tt后 ，下降到一個很小的數(shù)值0.1IR，這時二極管才進(jìn)人反向截止?fàn)顟B(tài)，如下圖所示。

 

通常把二極管從正向?qū)ㄞD(zhuǎn)為反向截止所經(jīng)過的轉(zhuǎn)換過程稱為反向恢復(fù)過程。其中tS稱為存儲時間，tt稱為渡越時間，tre=ts+tt稱為反向恢復(fù)時間。   由于反向恢復(fù)時間的存在，使二極管的開關(guān)速度受到限制。 

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產(chǎn)生反向恢復(fù)過程的原因——電荷存儲效應(yīng) 

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是由于二極管外加正向電壓VF時，載流子不斷擴(kuò)散而存儲的結(jié)果。當(dāng)外加正向電壓時Ｐ區(qū)空穴向Ｎ區(qū)擴(kuò)散，Ｎ區(qū)電子向Ｐ區(qū)擴(kuò)散，這樣，不僅使勢壘區(qū)（耗盡區(qū)）變窄，而且使載流子有相當(dāng)數(shù)量的存儲，在Ｐ區(qū)內(nèi)存儲了電子，而在Ｎ區(qū)內(nèi)存儲了空穴 ，它們都是非平衡少數(shù)載流于，如下圖所示。

  空穴由Ｐ區(qū)擴(kuò)散到Ｎ區(qū)后，并不是立即與Ｎ區(qū)中的電子復(fù)合而消失，而是在一定的路程LP（擴(kuò)散長度）內(nèi)，一方面繼續(xù)擴(kuò)散，一方面與電子復(fù)合消失，這樣就會在LP范圍內(nèi)存儲一定數(shù)量的空穴，并建立起一定空穴濃度分布，靠近結(jié)邊緣的濃度[敏感詞]，離結(jié)越遠(yuǎn)，濃度越小 。正向電流越大，存儲的空穴數(shù)目越多，濃度分布的梯度也越大。電子擴(kuò)散到Ｐ區(qū)的情況也類似，下圖為二極管中存儲電荷的分布。

 

  我們把正向?qū)〞r，非平衡少數(shù)載流子積累的現(xiàn)象叫做電荷存儲效應(yīng)。           當(dāng)輸入電壓突然由+VF變?yōu)?VR時Ｐ區(qū)存儲的電子和Ｎ區(qū)存儲的空穴不會馬上消失，但它們將通過下列兩個途徑逐漸減少：① 在反向電場作用下，Ｐ區(qū)電子被拉回Ｎ區(qū)，Ｎ區(qū)空穴被拉回Ｐ區(qū)，形成反向漂移電流IR，如下圖所示；  
 

②與多數(shù)載流子復(fù)合。    在這些存儲電荷消失之前，ＰＮ結(jié)仍處于正向偏置，即勢壘區(qū)仍然很窄，ＰＮ結(jié)的電阻仍很小，與RL相比可以忽略，所以此時反向電流IR=（VR＋VD）/RL。VD表示ＰＮ結(jié)兩端的正向壓降，一般 VR>>VD，即 IR＝VR／RL。在這段期間，IR基本上保持不變，主要由VR和RL所決定。經(jīng)過時間ts后Ｐ區(qū)和Ｎ區(qū)所存儲的電荷已顯著減小，勢壘區(qū)逐漸變寬，反向電流IR逐漸減小到正常反向飽和電流的數(shù)值，經(jīng)過時間tt，二極管轉(zhuǎn)為截止。   

由上可知，二極管在開關(guān)轉(zhuǎn)換過程中出現(xiàn)的反向恢復(fù)過程，實質(zhì)上由于電荷存儲效應(yīng)引起的，反向恢復(fù)時間就是存儲電荷消失所需要的時間。

二極管和一般開關(guān)的不同在于,“開”與“關(guān)”由所加電壓的極性決定, 而且“開”態(tài)有微小的壓降V f,“關(guān)”態(tài)有微小的電流i0。當(dāng)電壓由正向變?yōu)榉聪驎r, 電流并不立刻成為(- i0) , 而是在一段時間ts 內(nèi), 反向電流始終很大, 二極管并不關(guān)斷。

經(jīng)過ts后, 反向電流才逐漸變小, 再經(jīng)過tf 時間, 二極管的電流才成為(- i0) , ts 稱為儲存時間, tf 稱為下降時間。tr= ts+ tf 稱為反向恢復(fù)時間, 以上過程稱為反向恢復(fù)過程。這實際上是由電荷存儲效應(yīng)引起的, 反向恢復(fù)時間就是存儲電荷耗盡所需要的時間。該過程使二極管不能在快速連續(xù)脈沖下當(dāng)做開關(guān)使用。如果反向脈沖的持續(xù)時間比tr 短, 則二極管在正、反向都可導(dǎo)通, 起不到開關(guān)作用。