小电科普|快恢复二极管

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二极管是我们接触电子学的第一个半导体器件，在模电课上我们了解了二极管的伏安特性、温度特性、等效电路，以及如何分析二极管电路等。
刚刚接触非线性器件的电路分析，不免会有困惑，做题遇到困难可以戳????下面的粗体字链接，大量的例题一定能让你掌握解题要领的(*^▽^*)
?? 《重难点|二极管电路分析的重难点》
?? 《考题精讲|二极管电路的分析》
要是稳压管的电路遇到问题，就赶紧戳这里????《稳压管的重难点》和《考题精讲|稳压管电路的分析》



撇开做题，今天我们介绍一种具有开关特性好，反向恢复时间短的二极管，它的名称就叫快恢复二极管。它主要用在开关电源、PWM脉宽调制器、变频器等电子电路中。

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为什么突然想起这种器件呢？因为——
发现一个问题
作业题里的二极管总是那么理想，我们认为加正向电压就能导通，加反向电压就会截止。
很多时候的确也是如此，比如一个简单的二极管电路

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图1
当输入是个周期为10ms的脉冲信号，正半轴D导通，负半周D截止，输出电压和二极管电流都体现了和理论的完全吻合。

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图2
但是当我们将脉冲信号的周期调小，再看输出电压和二极管电流，就发现并没有像预期一样，而是在反向本应该截止的区域，却出现较大的反向电流，经过一段时间后才真正截止。

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图3
这是为什么呢？

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这里就得先理解二极管的一个重要参数——
反向恢复时间
反向恢复时间是指电流由正向通过零点转换成反向，再由反向转换到规定低值的时间间隔。在理想情况下，二极管从导通状态转到截止状态是瞬间实现的，如图4的虚线所示。

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图4 反向恢复时间的定义
但实际中当电压由正向变成反向时，电流并不立刻变成零，或变成极小的反向饱和电流Is，而是由正向的Iforward变成一个很大的反向电流Ireverse（图1电路Ireverse大约等于-5/R），并且这个电流会维持一段时间ts(存储时间)后才开始逐渐下降，再通过tt(传输间隔)后下降到接近于0的值。这时二极管才真正进入反向截止状态。反向恢复时间就是这两个时间间隔之和：trr=ts+tt。
所以图3的第三个波形就可以理解了。而图2波形仅仅只是因为跟信号的周期相比，这个反向恢复时间被忽略不计了。

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产生反向恢复时间的原因
当二极管外加正向电压时，PN结会变窄，同时多数载流子不断扩散，P区空穴会向N区扩散，N区电子会向P区扩散，且具有相当数量的积累，这些扩散到对方区域的载流子称为非平衡少子。比如从P区扩散到N区的空穴，在N区会建立一定的空穴浓度分布，靠近PN结边缘的浓度最大，离PN结越远的浓度越小，并且正向电流越大，存储的空穴数目就越多，这也正是我们讲扩散电容时说到的现象。我们把正向导通时非平衡少子的积累现象叫做电荷存储效应。

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当输入电压突然从正向电压变成反向电压时，P区存储的电子和N区存储的空穴不会马上消失，它们会通过两个途径逐渐减小：
??  在反向电场下，P区电子被拉回N区，N区空穴会被拉回P区，形成反向漂移电流，这就是图4中的Ireverse；
?? 这些非平衡少子被拉回后与多数载流子复合
而在这些存储电荷消失之前，PN结仍然很窄，PN结的电阻仍很小，所以此时的反向电流就几乎等于反向电压除以回路电阻，因此这个值很大。经过ts后P区和N区所存储的电荷显著减小，耗尽层也逐渐变宽，反向电流Ireverse也逐渐减小到正常的反向饱和电流Is，这之后二极管才转为截止。
所以说反向恢复时间就是存储电荷消失所需的时间。



可以发现反向恢复时间限制了二极管的开关速度
如果脉冲持续时间跟二极管反向恢复时间时间差不多甚至更短，那负脉冲就不能使二极管关断。而这时就需要快恢复二极管，顾名思义就是恢复时间很短的二极管。

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为什么快恢复二极管就可以做到反向恢复时间很短呢？这得益于它的结构??
快恢复二极管的结构
课内我们学习的是PN结的二极管，就是将PN结用外壳封装起来，并加上电极引线构成的。

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而快恢复二极管属于PIN型二极管，在P和N半导体材料之间加入一薄层低掺杂的本征(Intrinsic)半导体层，中间低掺杂浓度的N-漂移区也称为I区或基区，两边高掺杂浓度的阳极P+区和阴极N+区

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这个结构不禁会让人想起"开封菜"中的肉夹肉的肉霸堡，夹层的肉只是热量稍低了些??????

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快恢复二极管的工作原理
快恢复二极管是在P型材料和N型材料中间增加了基区I，人为地把P-N结的势垒区宽度加以扩展。
当加正向电压时，P区和N区的多子都会注入到I区，并在I区复合。而P区和N区中极少出现非平衡少子的积累情况，同时本征层由于积累了大量载流子而电阻变小，所以当快恢复二极管正向偏置时，呈低阻特性，只等效于一个小电阻，没有了扩散电容。由于基区很薄且参杂浓度极低，正向导通压降也比普通二极管低
加反向电压（或零偏）时，由于反向恢复电荷很少，所以恢复时间大大缩短，并且由于基区扩展的势垒区也使得管子能承受更高的反向电压。



好了，今天的分享就到这，主要是因为"胡建"人说“恢复”二字非常别扭，于是课上在讲述二极管参数时就没有特别提及“反向恢复时间”??????，但却觉得是个挺重要的参数。于是正好利用这篇推文向大家陈述了这个关键参数，也是抛砖引玉希望大家能关注教材中不大起眼的器件参数~~~????????

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END