正向恢復時間
正向恢復時間的定義:從二極管反向截止狀態(tài)到指定的正向導通狀態(tài)所需要的時間。
正向恢復時間產(chǎn)生的原因:
二極管導通時兩端的電壓如圖
可以看到在二極管的到通過程中有一個十分明顯的電壓過程。
這個現(xiàn)象的成因:
主要在恒流負載的驅動下,假設電流比較大,階躍速度比較快。此時由于二極管尚未完全導通,導致阻抗較高,因此會引起比較高的正向壓降,在做大電流,快速階躍的應用時應當注意這種現(xiàn)象。
對于在二極管導通的過程中阻抗的成因有兩部分,主要因素是因為在PN結中,電子的漂移速度是有限的,因此無法響應瞬間加載到二極管兩端的偏置電壓,另一方面則是因為寄生電感的影響。
但是我們在實際使用的過程中很難觀測到這種現(xiàn)象。一方面是因為我們驅動二極管的時候大多時恒壓源驅動的,很少有恒流源的情況,另一方面,能夠達到ns級別響應的恒流源也不常見,因此在實際二極管的使用過程中很難觀測到這種現(xiàn)象
反向恢復時間
反向恢復時間的定義:在正向電流按照指定的斜率衰減的條件下,二極管從正向導通到反向截止電流達到指定水平的時間。
二極管的反向恢復產(chǎn)生的原因:
二極管在開關轉換過程中出現(xiàn)的反向恢復過程,實質上由于電荷存儲效應引起的,反向恢復時間就是存儲電荷消失所需要的時間。
反向恢復過程:
在圖1所示的二極管電路中,加入一個如圖2所示的輸入電壓。即在 0~t1 時間內(nèi),輸入為 +VF,二極管導通,電路中有電流流過。
假設二極管的正向壓降為 VD,當 VF 遠大于 VD 時,VD 可忽略不計;如果在 t1 時刻,輸入V1 突然從 +VF 變?yōu)?-VR,在理想情況下,二極管將即刻變?yōu)榻刂範顟B(tài),電路中只有很小的反向漏電流。
但在實際情況中,二極管并不會立即變?yōu)榻刂範顟B(tài),而是先有正向的 IF 變?yōu)橐粋€很大的反向電流 IR = VR/RL,這個反向電流會維持一段時間 ts 后才開始逐漸下降,再經(jīng)過 tt 時間后,下降到一個很小的數(shù)值 0.1*IR,這時二極管才會進入反向截止狀態(tài)。該過程如圖3所示。
一般將二極管從正向導通變?yōu)榉聪蚪刂沟倪^程成為反向恢復過程,其中 ts 稱為存儲時間,tt 稱為渡越時間,tre =ts +tt 稱為反向恢復時間。
二極管的開關速度受到反向恢復時間的限制。
產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是由于電荷存儲效應。
由于二極管外加正向電壓+VF 時,P 區(qū)的空穴向 N 區(qū)擴散,N 區(qū)的電子向 P 區(qū)擴散,不僅使得耗盡層變窄,而且使得載流子有相當數(shù)量的存儲,在 P 區(qū)內(nèi)存儲了電子,在N 區(qū)內(nèi)存儲了空穴,它們都是非平衡少子。
空穴由 P 區(qū)擴散到 N 區(qū)后,并不是立即與 N 區(qū)中的電子復合后消失,而是在一定的路程LP(擴散長度)內(nèi),一方面繼續(xù)擴散,一方面與電子復合消失,這樣就會在LP范圍內(nèi)存儲一定數(shù)量的空穴,并建立起一定的空穴濃度分布,靠近 PN 結邊緣的濃度高,離 PN 結越遠,濃度越小。
正向電流越大,存儲的空穴數(shù)目越多,濃度分布的梯度也越大。電子擴散到 P 區(qū)的情況類似。
把正向導通時,非平衡少子積累的現(xiàn)象叫做電荷存儲效應。
當輸入電壓突然由+VF 變?yōu)?VR 時, P 區(qū)存儲的電子和 N 區(qū)存儲的空穴不會馬上消失,它們會通過以下兩個途徑逐漸減少:
1.在反向電場的作用下, 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)載流子復合消失。
在這些存儲電荷消失之前,PN結仍處于正向偏置,即耗盡層仍然很窄,PN結的電阻仍然很小,與 Rl 相比可以忽略,所以此時反向電流IR = VR +VD/RL 。VD表示PN結兩端的正向壓降,一般有VR >>VD,即IR = VR /RL。
在這段時間,IR基本上保持不變,主要由VR和 Rl決定。經(jīng)過 ts 時間后,P 區(qū)和 N 區(qū)所存儲的電荷已顯著減小,耗盡層逐漸變寬,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 tt 時間后,二極管轉為截止狀態(tài)。
由上可知,二極管的反向恢復時間就是存儲電荷消失所需要的時間。如果反向脈沖的持續(xù)時間比反向恢復時間 tre =ts +tt 短,則二極管在正、反方向都可以導通,起不到開關的作用。
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