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什么是二极管结电容和反向恢复时间

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发表于 2021-11-2 15:56 | 只看该作者 |只看大图 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

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x
二极管的结电容:势垒电容和扩散电容。我们也知道了数据手册中所给出的结电容参数,它的大小和反向恢复时间没有关系。如下表所示:

3 A1 f) t7 _: O  K! o
序号; u4 s1 f. @4 n3 `1 I8 s6 |
种类
# j# C  D" D/ n* S6 l9 i
型号
3 M/ j: f$ K  D/ Q# d, G
结电容
. b; U( |! j4 ~# a/ U9 ^
反向恢复时间
/ o: Q" X' t: y+ W4 x
封装, L5 D( c( O/ L) \
品牌
- F- F: a: N5 l: g( t4 x1 O- `4 ~
1
+ j4 g  F* s. t5 u/ U
普通整流二极管7 p5 H2 K' |1 W2 f  j4 U# C
1N4007
6 M# ^# z- [. E3 y* l! R; o
15pF$ Z% R3 ], r/ L. G4 _& q, ]. @; k+ \' G
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DO-41' k7 \0 y: j# t6 u0 ~/ O
固锝, M. m# J4 Y6 X" G5 C4 S
2% g# X. E7 @( I' o/ d9 D+ D% V. Z
快恢复二极管
+ M- G/ s2 J% ]+ N9 }
1N4933G
7 `% g! b5 {' }' H  }( B; X$ y; R
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杨杰
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超快恢复二极管0 M& x+ x0 @$ I1 [( ^) N8 N- L
ES1J0 G0 n9 l1 H" I7 O6 W. m$ N5 H
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安森美
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肖特基二极管
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固锝
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开二极关管! c: p# D5 g$ }' f6 O
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强茂
, C8 U1 z& _+ j! U* E
! D1 v) Y9 \9 D* M1 \  [
通过上表可以反推,里面的结电容其实指的是势垒电容。
- j3 @/ X& n$ a+ _
我们还是以ES1J数据手册给出的参数为例,可以看出,它测试出来的结电容参数是有条件的:VR=4.0V,f=1.0MHz。那么,这里面的VR指的就是加在二极管两端的反向电压,reverse反向的意思。所以,得出一个结论:二极管的反向恢复时间和扩散电容是有关系的。扩散电容越大,反向恢复时间越长;扩散电容越小,反向恢复时间越短。同时,我们也分析过,正向导通的电流越大,扩散电容也就越大。也就是说,如果正向导通电流越大的话,少数载流子的积累效应就越强。

' X1 l: g! }5 O% b  L1 U8 [  o
事实表明,PN结正偏的时候,结电容主要是扩散电容,PN结反偏的时候,结电容主要是势垒电容。

1 N9 i; t6 H  {, ^' |% z
我们再回到最初的疑问:反向恢复时间和结电容(扩散电容)什么关系?
8 @1 Y1 I5 D/ t/ G1 }

7 W; @: Q- A2 G2 a
反向恢复时间
" |5 J' m+ @8 [
由PN结构成的二极管都会有一个Trr的参数,这个参数就是二极管的反向恢复时间。trr这个参数决定了二极管的最高工作频率。那反向恢复时间到底是怎么来的呢?我们来看下面这个图。

" G: b/ R) o6 k  l
开关拨到左边1时,二极管接正向电源,正向电流IF=(Vf-Vpn)/RF。可以想象,此时PN结处充斥的很多的载流子,也就是存储了很多的电荷。如果我们观察半导体内部,会发现,整个PN结,包括内建电场区,到处都有载流子存在。也就是说,现在整个PN结相当于是良导体,如果电源迅速反向,电流也是可以迅速反向的。

1 t: Q7 P# c* c" T! J! H
我们看上面这幅图。在开关拨到右边0时,二极管接反向电源,但是此时PN结正偏的特性不会马上改变。为什么PN结的正偏特性不会改变呢?

* F5 |! n% e4 |, p
可以这么看,PN结反偏时内建电场区是基本没有电荷的,很明显,现在存了很多电荷,不把这些电荷搞掉,正偏特性不会变化的。也可以理解为是结电容导致电压不能突变,电荷没放完,结两端的电压就不会变反向。
- L$ f. ^  i9 J) Z  E' L

8 i/ B/ J& m. h- S- l+ P# K: k
与此同时,因为存储了大量电荷,此时PN结可以看成良导体,电流立马反向,反向电流IR=(Vr+Vpn)/Rr。不过需要注意,这时电流的成因是少数载流子反向运动的结果,随着时间推移,少数载流子数量是越来越少的。
7 B# z3 G, }/ U
看上面这幅图,刚才说到,随着时间的推移从t0时刻到ts时刻,少数载流子数量越来越少,当t>ts之后,中间被阻断,那是不是整体电流就立马下降到0呢?其实不是的,电流还是存在的,这是暂态电流。因为P区和N区各自剩余的少数载流子并没有达到热平衡,最终会复合消失,这个复合会产生电流。
7 p3 S. y  Z$ D) _7 e( b3 \
这个可能不好理解,中间都断了,不允许电荷穿过,怎么还能有电流呢?我们知道,只有形成闭合回路,才能产生电流,这个电流指的是恒定的电流,也就是说串联电路中的电流处处相等。实际上不形成回路也能有电流,那么电流是怎么产生的呢?电荷流动,就是电流。没有回路,也能有电流,那叫暂态电流。就好比一根水管,堵住一端,水也能流进,直到水管满为止。
7 U& z9 t) u4 w+ d2 v
7 K+ T, h/ a1 I( l, \: I
所以,尽管中间阻断了,也还是有电流的,只有当重新达到热平衡,复合电流才会为0。整个过程,电源电压,二极管两端电压,反向电流的波形图如下所示,图中的trr就是反向恢复时间。
% l# r0 }. L& @6 M" b0 z( {* \

$ b( H5 q6 w4 i5 c: l, o6 d
  t* U' {9 c% B) W
有时也会看到上面这样的图,二极管反向电流最大值的地方并不是平的,并且二极管两端电压会出现反向尖峰。那到底哪个图是对的呢?其实,这个差异,仅仅只是电路的不同。如果看明白前面说的二极管反向恢复电流的形成过程,这个图也就能理解了。
7 \# W8 R5 B* c
$ @: U" G5 I( g- I1 P8 B
前面画的波形,我们的电路中串联有电阻,当没有这个电阻的时候,或者说电阻很小的时候。反向电流会非常大,而从正向电流变为反向电流,这需要时间,这会导致di/dt非常大。此时,电路中的电感就不能忽略了,因为有电感的存在,导致二极管两端会存在比电源还大的电压,也就是反向电压尖峰。

* y' V: R! {8 }7 V, S, G
整个过程如下:
1、在t0之前,电感有正向的电流IF。
2、在t0时刻,电源突然反向,因为二极管内部充满电荷,此时相当于导体,所以压降很小,这导致反向电压全都落在了电感上面,因此电流以斜率为di/dt=(Vr+Vpn)/L下降。
3、在ts时刻,二极管开始恢复阻断能力,此时电流达到最大,随后反向电流会下降。
4、在ts之后,二极管的电流为复合电流,随着载流子越来越少,电流也越来越小。此时电感会阻碍电流变小,因此会产生反向感应电压,这会导致在二极管两侧的反向电压比电源电压还大,也就是会出现反向电压尖峰Vrm。随着时间越来越长,复合电流基本为0了,电感电压也就基本为0了,此时二极管两端电压也就等于电源电压Vr。
总的来说,反向恢复时间就是正向导通时PN结存储的电荷耗尽所需要的时间。

# Z# I) f7 l" }9 e
因此,就很容易明白下面这些:
1、反向电源电压越小,反向恢复电流越小,电荷耗尽越慢,反向恢复时间越长。
2、正向电流越大,存储的电荷越多,耗尽时间越长,反向恢复时间越长。

6 J! Q' r. h; \# n5 b
3、半导体材料的载流子复合效率越低,寿命越长,电荷耗尽时间越长,反向恢复时间越长。
+ p/ H/ k8 {3 z' _% {
! `' u( X* e. N" T, U0 f
7 ]( U$ v3 d# @+ ]6 R9 ^
9 @9 W! z" i8 |

$ k* n. {3 G! ]) b1 l
4 i. ^9 e4 v& q% M1 l6 `
2 q5 Q6 L5 x+ g# F( T
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! c  j& Q7 F$ A( F+ N2 ]

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发表于 2021-11-2 16:09 | 只看该作者
PN结正偏的时候,结电容主要是扩散电容,PN结反偏的时候,结电容主要是势垒电容

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发表于 2021-11-2 16:51 | 只看该作者
二极管的反向恢复时间和扩散电容是有关系的
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