什么是二极管结电容和反向恢复时间

电源

上一篇文章我们详细讨论了二极管的结电容：势垒电容和扩散电容。我们也知道了数据手册中所给出的结电容参数，它的大小和反向恢复时间没有关系。如下表所示：

序号	种类	型号	结电容	反向恢复时间	封装	品牌
1	普通整流二极管	1N4007	15pF	1us	DO-41	固锝
2	快恢复二极管	1N4933G	10pF	150ns	DO-41	杨杰
3	超快恢复二极管	ES1J	8pF	35ns	SMA	安森美
4	肖特基二极管	1N5819W	110pF	10ns	DO-41	固锝
5	开二极关管	1N4148	4PF	4ns	DOS-323	强茂

通过上表可以反推，里面的结电容其实指的是势垒电容。

我们还是以ES1J数据手册给出的参数为例，可以看出，它测试出来的结电容参数是有条件的：VR=4.0V，f=1.0MHz。那么，这里面的VR指的就是加在二极管两端的反向电压，reverse反向的意思。所以，得出一个结论：二极管的反向恢复时间和扩散电容是有关系的。扩散电容越大，反向恢复时间越长；扩散电容越小，反向恢复时间越短。同时，我们也分析过，正向导通的电流越大，扩散电容也就越大。也就是说，如果正向导通电流越大的话，少数载流子的积累效应就越强。

事实表明，PN结正偏的时候，结电容主要是扩散电容，PN结反偏的时候，结电容主要是势垒电容。

我们再回到最初的疑问：反向恢复时间和结电容（扩散电容）什么关系？

反向恢复时间

由PN结构成的二极管都会有一个Trr的参数，这个参数就是二极管的反向恢复时间。trr这个参数决定了二极管的最高工作频率。那反向恢复时间到底是怎么来的呢？我们来看下面这个图。

在开关拨到左边1时，二极管接正向电源，正向电流IF=（Vf-Vpn）/Rf。可以想象，此时PN结处充斥的很多的载流子，也就是存储了很多的电荷。如果我们观察半导体内部，会发现，整个PN结，包括内建电场区，到处都有载流子存在。也就是说，现在整个PN结相当于是良导体，如果电源迅速反向，电流也是可以迅速反向的。

我们看上面这幅图。在开关拨到右边0时，二极管接反向电源，但是此时PN结正偏的特性不会马上改变。为什么PN结的正偏特性不会改变呢？

可以这么看，PN结反偏时内建电场区是基本没有电荷的，很明显，现在存了很多电荷，不把这些电荷搞掉，正偏特性不会变化的。也可以理解为是结电容导致电压不能突变，电荷没放完，结两端的电压就不会变反向。

与此同时，因为存储了大量电荷，此时PN结可以看成良导体，电流立马反向，反向电流IR=（Vr+Vpn）/Rr。不过需要注意，这时电流的成因是少数载流子反向运动的结果，随着时间推移，少数载流子数量是越来越少的。

看上面这幅图，刚才说到，随着时间的推移从t0时刻到ts时刻，少数载流子数量越来越少，当t>ts之后，中间被阻断，那是不是整体电流就立马下降到0呢？其实不是的，电流还是存在的，这是暂态电流。因为P区和N区各自剩余的少数载流子并没有达到热平衡，最终会复合消失，这个复合会产生电流。

这个可能不好理解，中间都断了，不允许电荷穿过，怎么还能有电流呢？我们知道，只有形成闭合回路，才能产生电流，这个电流指的是恒定的电流，也就是说串联电路中的电流处处相等。实际上不形成回路也能有电流，那么电流是怎么产生的呢？电荷流动，就是电流。没有回路，也能有电流，那叫暂态电流。就好比一根水管，堵住一端，水也能流进，直到水管满为止。

所以，尽管中间阻断了，也还是有电流的，只有当重新达到热平衡，复合电流才会为0。整个过程，电源电压，二极管两端电压，反向电流的波形图如下所示，图中的trr就是反向恢复时间。

有时也会看到上面这样的图，二极管反向电流最大值的地方并不是平的，并且二极管两端电压会出现反向尖峰。那到底哪个图是对的呢？其实，这个差异，仅仅只是电路的不同。如果看明白前面说的二极管反向恢复电流的形成过程，这个图也就能理解了。

前面画的波形，我们的电路中串联有电阻，当没有这个电阻的时候，或者说电阻很小的时候。反向电流会非常大，而从正向电流变为反向电流，这需要时间，这会导致di/dt非常大。此时，电路中的电感就不能忽略了，因为有电感的存在，导致二极管两端会存在比电源还大的电压，也就是反向电压尖峰。

整个过程如下：

1、在t0之前，电感有正向的电流IF。

2、在t0时刻，电源突然反向，因为二极管内部充满电荷，此时相当于导体，所以压降很小，这导致反向电压全都落在了电感上面，因此电流以斜率为di/dt=(Vr+Vpn)/L下降。

3、在ts时刻，二极管开始恢复阻断能力，此时电流达到最大，随后反向电流会下降。

4、在ts之后，二极管的电流为复合电流，随着载流子越来越少，电流也越来越小。此时电感会阻碍电流变小，因此会产生反向感应电压，这会导致在二极管两侧的反向电压比电源电压还大，也就是会出现反向电压尖峰Vrm。随着时间越来越长，复合电流基本为0了，电感电压也就基本为0了，此时二极管两端电压也就等于电源电压Vr。

总的来说，反向恢复时间就是正向导通时PN结存储的电荷耗尽所需要的时间。

因此，就很容易明白下面这些：

1、反向电源电压越小，反向恢复电流越小，电荷耗尽越慢，反向恢复时间越长。

2、正向电流越大，存储的电荷越多，耗尽时间越长，反向恢复时间越长。

3、半导体材料的载流子复合效率越低，寿命越长，电荷耗尽时间越长，反向恢复时间越长。

前期回顾：二极管扩散电容和势垒电容