二極管的開關(guān)作用和反向恢復(fù)時(shí)間

PN結(jié)二極管經(jīng)常用來制作電開關(guān)。在正偏狀態(tài)，即開態(tài)，很小的外加電壓就能產(chǎn)生較大的電流，;在反偏狀態(tài)，即關(guān)態(tài)，只有很小的電流存在于PN結(jié)內(nèi)。我們最感興趣的開關(guān)電路參數(shù)就是電路的開關(guān)速度。本節(jié)會(huì)定性地討論二極管的開關(guān)瞬態(tài)以及電荷的存儲(chǔ)效應(yīng)。在不經(jīng)任何數(shù)學(xué)推導(dǎo)的情況下，簡(jiǎn)單給出描述開關(guān)時(shí)間的表達(dá)式。

二極管的開關(guān)作用

利用二極管正、反向電流相差懸殊這一特性，可以把二極管作開關(guān)使用。

當(dāng)開關(guān)K打向A時(shí)，二極管處于正向，電流很大，相當(dāng)于接有負(fù)載的外回路與電源相連的開關(guān)閉合，回路處于接通狀態(tài)(開態(tài));

當(dāng)開關(guān)K打向B時(shí)，二極管處于反向，反向電流很小，相當(dāng)于外回路的開關(guān)斷開，回路處于斷開狀態(tài)(關(guān)態(tài))。

在關(guān)態(tài)時(shí)，流過負(fù)載的電流就是二極管的反向電流IR。二極管的反向恢復(fù)時(shí)間

假設(shè)外加脈沖的波形如圖(a)所示，則流過二極管的電流就如圖(b)所示。

外電路加以正脈沖時(shí)

導(dǎo)通過程中，二極管P區(qū)向N區(qū)輸運(yùn)大量空穴，N區(qū)向P區(qū)輸運(yùn)大量電子。

隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，N區(qū)內(nèi)空穴和P區(qū)內(nèi)電子不斷增加，直到穩(wěn)態(tài)時(shí)停止。在穩(wěn)態(tài)時(shí)，流入N區(qū)的空穴正好與N區(qū)內(nèi)復(fù)合掉的空穴數(shù)目相等，流入P區(qū)的電子也正好與P區(qū)內(nèi)復(fù)合掉的電子數(shù)目相等，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，流過P-N結(jié)的電流為一常數(shù)I1。

隨著勢(shì)壘區(qū)邊界上的空穴和電子密度的增加，P-N結(jié)上的電壓逐步上升，在穩(wěn)態(tài)即為VJ。此時(shí)，二極管就工作在導(dǎo)通狀態(tài)。

當(dāng)某一時(shí)刻在外電路上加的正脈沖跳變?yōu)樨?fù)脈沖時(shí)

正向時(shí)積累在各區(qū)的大量少子要被反向偏置電壓拉回到原來的區(qū)域，開始時(shí)的瞬間，流過P-N結(jié)的反向電流很大，經(jīng)過一段時(shí)間后，原本積累的載流子一部分通過復(fù)合，一部分被拉回原來的區(qū)域，反向電流才恢復(fù)到正常情況下的反向漏電流值IR。正向?qū)〞r(shí)少數(shù)載流子積累的現(xiàn)象稱為電荷儲(chǔ)存效應(yīng)。二極管的反向恢復(fù)過程就是由于電荷儲(chǔ)存所引起的。反向電流保持不變的這段時(shí)間就稱為儲(chǔ)存時(shí)間ts。在ts之后，P-N結(jié)上的電流到達(dá)反向飽和電流IR，P-N結(jié)達(dá)到平衡。定義流過P-N結(jié)的反向電流由I2下降到0.1 I2時(shí)所需的時(shí)間為下降時(shí)間tf。儲(chǔ)存時(shí)間和下降時(shí)間之和為(ts+tf)稱為P-N結(jié)的關(guān)斷時(shí)間(即為反向恢復(fù)時(shí)間)。

注意

反向恢復(fù)時(shí)間限制了二極管的開關(guān)速度。

(1)如果脈沖持續(xù)時(shí)間比二極管反向恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)得多，這時(shí)負(fù)脈沖能使二極管徹底關(guān)斷，起到良好的開關(guān)作用;

(2) 如果脈沖持續(xù)時(shí)間和二極管的反向恢復(fù)時(shí)間差不多甚至更短的話，這時(shí)由于反向恢復(fù)過程的影響，負(fù)脈沖不能使二極管關(guān)斷。

所以要保持良好的開關(guān)作用，脈沖持續(xù)時(shí)間不能太短，也就意味著脈沖的重復(fù)頻率不能太高，這就限制了開關(guān)的速度。