整流二極管的反向恢復(fù)過程詳解

本文講述整流二極管反向恢復(fù)過程。一種將交流電能轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娔艿陌雽?dǎo)體器件。通常它包含一個(gè)PN結(jié)，有正極和負(fù)極兩個(gè)端子。二極管最重要的特性就是單方向?qū)щ娦?。在電路中，電流只能從二極管的正極流入，負(fù)極流出。二極管從正向?qū)ǖ浇刂褂幸粋€(gè)反向恢復(fù)過程，硅二極管電路中加入一個(gè)如下圖所示的輸入電壓。在0―t1時(shí)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(shí)，VD可略去不計(jì)，則

在t1時(shí)，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(shí)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(gè)很大的反向電流IR=VR/RL，這個(gè)電流維持一段時(shí)間tS后才開始逐漸下降，再經(jīng)過tt后 ，下降到一個(gè)很小的數(shù)值0.1IR，這時(shí)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(chǔ)時(shí)間，tt稱為渡越時(shí)間，tre=ts+tt稱為反向恢復(fù)時(shí)間。 由于反向恢復(fù)時(shí)間的存在，使二極管的開關(guān)速度受到限制。

二、產(chǎn)生反向恢復(fù)過程的原因——電荷存儲(chǔ)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(shí)，載流子不斷擴(kuò)散而存儲(chǔ)的結(jié)果。當(dāng)外加正向電壓時(shí)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(chǔ)，在P區(qū)內(nèi)存儲(chǔ)了電子，而在N區(qū)內(nèi)存儲(chǔ)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(huì)在LP范圍內(nèi)存儲(chǔ)一定數(shù)量的空穴，并建立起一定空穴濃度分布，靠近結(jié)邊緣的濃度最大，離結(jié)越遠(yuǎn)，濃度越小 。正向電流越大，存儲(chǔ)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(chǔ)電荷的分布。

我們把正向?qū)〞r(shí)，非平衡少數(shù)載流子積累的現(xiàn)象叫做電荷存儲(chǔ)效應(yīng)。 當(dāng)輸入電壓突然由+VF變?yōu)?VR時(shí)P區(qū)存儲(chǔ)的電子和N區(qū)存儲(chǔ)的空穴不會(huì)馬上消失，但它們將通過下列兩個(gè)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。

②與多數(shù)載流子復(fù)合。 在這些存儲(chǔ)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(shí)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(shí)間ts后P區(qū)和N區(qū)所存儲(chǔ)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(shí)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(shí)質(zhì)上由于電荷存儲(chǔ)效應(yīng)引起的，反向恢復(fù)時(shí)間就是存儲(chǔ)電荷消失所需要的時(shí)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(shí), 電流并不立刻成為(- i0) , 而是在一段時(shí)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(shí)間, 二極管的電流才成為(- i0) , ts 稱為儲(chǔ)存時(shí)間, tf 稱為下降時(shí)間。tr= ts+ tf 稱為反向恢復(fù)時(shí)間, 以上過程稱為反向恢復(fù)過程。這實(shí)際上是由電荷存儲(chǔ)效應(yīng)引起的, 反向恢復(fù)時(shí)間就是存儲(chǔ)電荷耗盡所需要的時(shí)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(shí)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。