整流二极管反向恢复过程-整流二极管的特性与作用

整流二极管简介

本文(wen)讲述整流(liu)二(er)极(ji)(ji)(ji)管(guan)反向恢复(fu)过(guo)程。一种将交流(liu)电(dian)能转变(bian)为(wei)直流(liu)电(dian)能的(de)半导体器件。通常它包含一个(ge)PN结，有正(zheng)(zheng)极(ji)(ji)(ji)和负(fu)极(ji)(ji)(ji)两个(ge)端(duan)子(zi)。二(er)极(ji)(ji)(ji)管(guan)最重要的(de)特性(xing)就是单方向导电(dian)性(xing)。在电(dian)路中，电(dian)流(liu)只能从(cong)二(er)极(ji)(ji)(ji)管(guan)的(de)正(zheng)(zheng)极(ji)(ji)(ji)流(liu)入，负(fu)极(ji)(ji)(ji)流(liu)出(chu)。

整流二极管, 整流二极管反向恢复过程

整流二极管反向恢复过程详解

一、二极管从正向导通到截止有一个反向恢复过程

整流二极管, 整流二极管反向恢复过程

在(zai)(zai)上图(tu)所(suo)示的(de)硅(gui)二极(ji)(ji)管(guan)电(dian)路中加入(ru)一(yi)个如(ru)下图(tu)所(suo)示的(de)输(shu)入(ru)电(dian)压。在(zai)(zai)0―t1时间内，输(shu)入(ru)为+VF，二极(ji)(ji)管(guan)导通(tong)(tong)，电(dian)路中有电(dian)流流通(tong)(tong)。

整流二极管, 整流二极管反向恢复过程

设VD为(wei)二极管正向压(ya)降(jiang)（硅管为(wei)0.7V左右(you)），当(dang)VF远大于(yu)VD时，VD可略去不计，则

整流二极管, 整流二极管反向恢复过程

在(zai)(zai)t1时，V1突然从(cong)+VF变为-VR。在(zai)(zai)理想(xiang)情况下，二极管(guan)将立刻转为截止，电(dian)路中应只有很小的反(fan)向(xiang)电(dian)流。但实际情况是，二极管(guan)并不立刻截止，而是先由正向(xiang)的IF变到(dao)一(yi)个很大的反(fan)向(xiang)电(dian)流IR=VR／RL，这个电(dian)流维持一(yi)段(duan)时间(jian)tS后才开始(shi)逐渐下降，再经(jing)过tt后，下降到(dao)一(yi)个很小的数值0.1IR，这时二极管(guan)才进(jin)人反(fan)向(xiang)截止状(zhuang)态，如下图(tu)所示。

整流二极管, 整流二极管反向恢复过程

通常把二(er)极管(guan)从正(zheng)向(xiang)导通转(zhuan)为(wei)反(fan)向(xiang)截止所经过的转(zhuan)换(huan)过程称为(wei)反(fan)向(xiang)恢(hui)复过程。其中tS称为(wei)存(cun)储时间(jian)(jian)(jian)，tt称为(wei)渡越时间(jian)(jian)(jian)，tre=ts+tt称为(wei)反(fan)向(xiang)恢(hui)复时间(jian)(jian)(jian)。

由于反(fan)向恢(hui)复时间(jian)的存在，使二极管的开关速度受到限(xian)制。

二、产生反向恢复过程的原因——电荷存储效应

产生上述现象(xiang)的(de)原因(yin)是由于二极管(guan)外加正向(xiang)电压VF时，载(zai)流子不(bu)(bu)断扩散而(er)(er)(er)存(cun)储(chu)的(de)结果。当外加正向(xiang)电压时Ｐ区(qu)(qu)空穴向(xiang)Ｎ区(qu)(qu)扩散，Ｎ区(qu)(qu)电子向(xiang)Ｐ区(qu)(qu)扩散，这样，不(bu)(bu)仅使势垒区(qu)(qu)（耗尽区(qu)(qu)）变窄，而(er)(er)(er)且(qie)使载(zai)流子有相当数(shu)量的(de)存(cun)储(chu)，在Ｐ区(qu)(qu)内存(cun)储(chu)了(le)电子，而(er)(er)(er)在Ｎ区(qu)(qu)内存(cun)储(chu)了(le)空穴，它(ta)们都(dou)是非平衡少数(shu)载(zai)流于，如下图所(suo)示。

整流二极管, 整流二极管反向恢复过程

空穴(xue)由Ｐ区(qu)扩(kuo)散(san)(san)到(dao)Ｎ区(qu)后，并不是立即与Ｎ区(qu)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)电(dian)子(zi)复(fu)合(he)而消(xiao)失，而是在一(yi)定的(de)(de)(de)(de)路程(cheng)LP（扩(kuo)散(san)(san)长度(du)）内(nei)，一(yi)方(fang)面(mian)继续扩(kuo)散(san)(san)，一(yi)方(fang)面(mian)与电(dian)子(zi)复(fu)合(he)消(xiao)失，这(zhei)样(yang)就会在LP范围内(nei)存储一(yi)定数(shu)量的(de)(de)(de)(de)空穴(xue)，并建立起(qi)一(yi)定空穴(xue)浓(nong)度(du)分(fen)布(bu)，靠近结边缘的(de)(de)(de)(de)浓(nong)度(du)最(zui)大(da)，离结越远，浓(nong)度(du)越小。正(zheng)向电(dian)流越大(da)，存储的(de)(de)(de)(de)空穴(xue)数(shu)目越多，浓(nong)度(du)分(fen)布(bu)的(de)(de)(de)(de)梯(ti)度(du)也(ye)越大(da)。电(dian)子(zi)扩(kuo)散(san)(san)到(dao)Ｐ区(qu)的(de)(de)(de)(de)情况(kuang)也(ye)类似，下图(tu)为二极管(guan)中(zhong)(zhong)存储电(dian)荷的(de)(de)(de)(de)分(fen)布(bu)。

整流二极管, 整流二极管反向恢复过程

我(wo)们(men)把正向导通(tong)时(shi)，非平(ping)衡少数载流子积(ji)累的现象(xiang)叫做电荷(he)存储效应。

当输入电(dian)压(ya)突然由(you)+VF变为-VR时Ｐ区(qu)(qu)存储(chu)的电(dian)子和Ｎ区(qu)(qu)存储(chu)的空(kong)(kong)穴不(bu)会马上消失，但它们将(jiang)通过(guo)下(xia)列两个途径逐渐减少：① 在反(fan)向(xiang)电(dian)场作(zuo)用下(xia)，Ｐ区(qu)(qu)电(dian)子被(bei)拉回(hui)(hui)Ｎ区(qu)(qu)，Ｎ区(qu)(qu)空(kong)(kong)穴被(bei)拉回(hui)(hui)Ｐ区(qu)(qu)，形成反(fan)向(xiang)漂移(yi)电(dian)流IR，如下(xia)图所示(shi)；

整流二极管, 整流二极管反向恢复过程

②与多数载(zai)流子复合(he)。

在这(zhei)些存储电荷(he)消(xiao)失之前，ＰＮ结仍处于正向(xiang)偏(pian)置，即势(shi)垒区(qu)(qu)仍然(ran)很窄(zhai)，ＰＮ结的(de)电阻仍很小(xiao)，与(yu)RL相比可以忽(hu)略，所以此(ci)时(shi)反(fan)向(xiang)电流(liu)(liu)IR=（VR＋VD）/RL。VD表示(shi)ＰＮ结两端的(de)正向(xiang)压降，一般 VR>>VD，即 IR＝VR／RL。在这(zhei)段期间(jian)，IR基本上保(bao)持不变(bian)，主要(yao)由VR和(he)RL所决定。经过时(shi)间(jian)ts后Ｐ区(qu)(qu)和(he)Ｎ区(qu)(qu)所存储的(de)电荷(he)已显著(zhu)减小(xiao)，势(shi)垒区(qu)(qu)逐渐变(bian)宽，反(fan)向(xiang)电流(liu)(liu)IR逐渐减小(xiao)到正常反(fan)向(xiang)饱和(he)电流(liu)(liu)的(de)数(shu)值，经过时(shi)间(jian)tt，二极管转为(wei)截(jie)止。

由上(shang)(shang)可知(zhi)，二极管(guan)在开(kai)关转换过(guo)程(cheng)中出现的反向恢复(fu)(fu)过(guo)程(cheng)，实(shi)质上(shang)(shang)由于(yu)电荷存(cun)储效应引起的，反向恢复(fu)(fu)时间就是存(cun)储电荷消失(shi)所(suo)需要(yao)的时间。

二(er)(er)极(ji)管(guan)和一(yi)般开(kai)关的不(bu)(bu)同(tong)在(zai)于,“开(kai)”与“关”由(you)(you)(you)所加电(dian)(dian)(dian)压(ya)的极(ji)性(xing)决(jue)定, 而(er)且“开(kai)”态有微小(xiao)的压(ya)降V f,“关”态有微小(xiao)的电(dian)(dian)(dian)流(liu)i0。当电(dian)(dian)(dian)压(ya)由(you)(you)(you)正(zheng)向(xiang)(xiang)变为(wei)反(fan)向(xiang)(xiang)时(shi)(shi), 电(dian)(dian)(dian)流(liu)并(bing)不(bu)(bu)立刻成为(wei)(- i0) , 而(er)是在(zai)一(yi)段时(shi)(shi)间(jian)ts 内, 反(fan)向(xiang)(xiang)电(dian)(dian)(dian)流(liu)始终很大, 二(er)(er)极(ji)管(guan)并(bing)不(bu)(bu)关断。经过(guo)ts后, 反(fan)向(xiang)(xiang)电(dian)(dian)(dian)流(liu)才(cai)逐渐(jian)变小(xiao), 再经过(guo)tf 时(shi)(shi)间(jian), 二(er)(er)极(ji)管(guan)的电(dian)(dian)(dian)流(liu)才(cai)成为(wei)(- i0) , ts 称(cheng)为(wei)储(chu)存时(shi)(shi)间(jian), tf 称(cheng)为(wei)下降时(shi)(shi)间(jian)。tr= ts+ tf 称(cheng)为(wei)反(fan)向(xiang)(xiang)恢复(fu)(fu)时(shi)(shi)间(jian), 以上(shang)过(guo)程(cheng)称(cheng)为(wei)反(fan)向(xiang)(xiang)恢复(fu)(fu)过(guo)程(cheng)。这(zhei)实际上(shang)是由(you)(you)(you)电(dian)(dian)(dian)荷存储(chu)效(xiao)应(ying)引起的, 反(fan)向(xiang)(xiang)恢复(fu)(fu)时(shi)(shi)间(jian)就是存储(chu)电(dian)(dian)(dian)荷耗尽所需要的时(shi)(shi)间(jian)。该过(guo)程(cheng)使(shi)二(er)(er)极(ji)管(guan)不(bu)(bu)能在(zai)快速连续脉冲(chong)下当做开(kai)关使(shi)用。如果(guo)反(fan)向(xiang)(xiang)脉冲(chong)的持续时(shi)(shi)间(jian)比tr 短, 则二(er)(er)极(ji)管(guan)在(zai)正(zheng)、反(fan)向(xiang)(xiang)都可(ke)导通, 起不(bu)(bu)到(dao)开(kai)关作用。

整流二极管, 整流二极管反向恢复过程

整流二极管特性

整(zheng)(zheng)(zheng)流(liu)二极(ji)管(guan)(guan)是(shi)利用(yong)PN结的(de)(de)单(dan)向导(dao)电特性，把交流(liu)电变成脉动直流(liu)电。整(zheng)(zheng)(zheng)流(liu)二极(ji)管(guan)(guan)漏电流(liu)较大(da),多数(shu)采用(yong)面(mian)接触性料封装的(de)(de)二极(ji)管(guan)(guan)。整(zheng)(zheng)(zheng)流(liu)二极(ji)管(guan)(guan)的(de)(de)外(wai)形(xing)如图1所示，另(ling)外(wai)，整(zheng)(zheng)(zheng)流(liu)二极(ji)管(guan)(guan)的(de)(de)参数(shu)除(chu)前面(mian)介绍的(de)(de)几个外(wai)，还有最大(da)整(zheng)(zheng)(zheng)流(liu)电流(liu)，是(shi)指整(zheng)(zheng)(zheng)流(liu)二极(ji)管(guan)(guan)长时间的(de)(de)工作(zuo)所允许通过(guo)的(de)(de)最大(da)电流(liu)值。它是(shi)整(zheng)(zheng)(zheng)流(liu)二极(ji)管(guan)(guan)的(de)(de)主(zhu)要(yao)参数(shu)，是(shi)选项(xiang)用(yong)整(zheng)(zheng)(zheng)流(liu)二极(ji)管(guan)(guan)的(de)(de)主(zhu)要(yao)依据(ju)。

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