干货满满！带你了解二极管的反向恢复时间

PN结二极管经常用来制作电开关。在正偏状态，即开态，很小的外加电压就能产生较大的电流;在反偏状态，即关态，只有很小的电流存在于PN结内。

我们感兴趣的开关电路参数就是电路的开关速度。下面的内容会定性地讨论二极管的开关瞬态以及电荷的存储效应。在不经任何数学推导的情况下，简单给出描述开关时间的表达式。

二极管的作用

利用二极管正、反向电流相差悬殊这一特性，可以把二极管作开关使用。

当开关K打向A时，二极管处于正向，电流很大，相当于接有负载的外回路与电源相连的开关闭合，回路处于接通状态(开态);

当开关K打向B时，二极管处于反向，反向电流很小，相当于外回路的开关断开，回路处于断开状态(关态)。

V1为外加电源电压，VJ为二极管的正向压降，对硅管VJ约为0.7V，锗管VJ约为0.25V，RL为负载电阻。

在开态时，流过负载的稳态电流为I1：

通常VJ远小于V1，所以上式可近似写为：

在关态时，流过负载的电流就是二极管的反向电流IR。

接通过程中，二极管P区向N区输运大量空穴，N区向P区输运大量电子。随着时间的延长，N区内空穴和P区内电子不断增加，直到稳态时停止。

在稳态时，流入N区的空穴正好与N区内复合掉的空穴数目相等，流入P区的电子也正好与P区内复合掉的电子数目相等，达到动态平衡，流过P-N结的电流为一常数I1。

随着势垒区边界上的空穴和电子密度的增加，P-N结上的电压逐步上升，在稳态即为VJ。此时，二极管就工作在导通状态。

当某一时刻在外电路上加的正脉冲跳变为负脉冲时：

正向时积累在各区的大量少子要被反向偏置电压拉回到原来的区域，开始时的瞬间，流过P-N结的反向电流很大，经过一段时间后，原本积累的载流子一部分通过复合，一部分被拉回原来的区域，反向电流才恢复到正常情况下的反向漏电流值IR。

正向导通时少数载流子积累的现象称为电荷储存效应。二极管的反向恢复过程就是由于电荷储存所引起的。

反向电流保持不变的这段时间就称为储存时间ts。在ts之后，P-N结上的电流到达反向饱和电流IR，P-N结达到平衡。

定义流过P-N结的反向电流由I2下降到0.1 I2时所需的时间为下降时间tf。储存时间和下降时间之和为(ts+tf)称为P-N结的关断时间(即为反向恢复时间)。

反向恢复时间限制了二极管的开关速度：

如果脉冲持续时间比二极管反向恢复时间长得多，这时负脉冲能使二极管彻底关断，起到良好的开关作用;

如果脉冲持续时间和二极管的反向恢复时间差不多甚至更短的话，这时由于反向恢复过程的影响，负脉冲不能使二极管关断。

所以要保持良好的开关作用，脉冲持续时间不能太短，也就意味着脉冲的重复频率不能太高，这就限制了开关的速度。

一、反向恢复过程

在图1所示的二极管电路中，加入一个如图2所示的输入电压。即在 0~ 时间内，输入为 ，二极管导通，电路中有电流流过。

假设二极管的正向压降为 ，当 远大于 时， 可忽略不计;如果在 时刻，输入 突然从 变为 ，在理想情况下，二极管将即刻变为截止状态，电路中只有很小的反向漏电流。

但在实际情况中，二极管并不会立即变为截止状态，而是先有正向的 变为一个很大的反向电流 ，这个反向电流会维持一段时间 后才开始逐渐下降，再经过 时间后，下降到一个很小的数值 ，这时二极管才会进入反向截止状态。该过程如图3所示。

一般将二极管从正向导通变为反向截止的过程成为反向恢复过程，其中 称为存储时间， 称为渡越时间， 称为反向恢复时间。

二极管的开关速度受到反向恢复时间的限制。

二、原因

产生上述现象的原因是由于电荷存储效应。

由于二极管外加正向电压 时，P 区的空穴向 N 区扩散，N 区的电子向 P 区扩散，不仅使得耗尽层变窄，而且使得载流子有相当数量的存储，在 P 区内存储了电子，在N 区内存储了空穴，它们都是非平衡少子。

空穴由 P 区扩散到 N 区后，并不是立即与 N 区中的电子复合后消失，而是在一定的路程(扩散长度)内，一方面继续扩散，一方面与电子复合消失，这样就会在范围内存储一定数量的空穴，并建立起一定的空穴浓度分布，靠近 PN 结边缘的浓度高，离 PN 结越远，浓度越小。

正向电流越大，存储的空穴数目越多，浓度分布的梯度也越大。电子扩散到 P 区的情况类似。

把正向导通时，非平衡少子积累的现象叫做电荷存储效应。

当输入电压突然由 变为 时， P 区存储的电子和 N 区存储的空穴不会马上消失，它们会通过以下两个途径逐渐减少：

在反向电场的作用下， P 区电子被拉回 N 区， N 区空穴被拉回 P 区，形成反向漂移电流 ;

与多数载流子复合消失。

在这些存储电荷消失之前，PN结仍处于正向偏置，即耗尽层仍然很窄，PN结的电阻仍然很小，与 相比可以忽略，所以此时反向电流IR=VR+VDRL

表示PN结两端的正向压降，一般有，即。在这段时间，基本上保持不变，主要由 和 决定。经过 时间后，P 区和 N 区所存储的电荷已显著减小，耗尽层逐渐变宽，反向电流 逐渐减小到正常反向饱和电流的数值，经过 时间后，二极管转为截止状态。

由上可知，二极管的反向恢复时间就是存储电荷消失所需要的时间。如果反向脉冲的持续时间比反向恢复时间 短，则二极管在正、反方向都可以导通，起不到开关的作用。