整流二極管的工作和反向恢復原理

1、二極管從正向導通到截止有一個反向恢復過程

在上圖所示的硅二極管電路中加入一個如下圖所示的輸入電壓。在0―t1時間內，輸入為+VF，二極管導通，電路中有電流流通。

設VD為二極管正向壓降（硅管為0.7V左右），當VF遠大于VD時，VD可略去不計，則

在t1時，V1突然從+VF變?yōu)?VR。在理想情況下 ，二極管將立刻轉為截止，電路中應只有很小的反向電流。但實際情況是，二極管并不立刻截止，而是先由正向的IF變到一個很大的反向電流IR=VR／RL，這個電流維持一段時間tS后才開始逐漸下降，再經(jīng)過tt后 ，下降到一個很小的數(shù)值0.1IR，這時二極管才進人反向截止狀態(tài)，如下圖所示。

通常把二極管從正向導通轉為反向截止所經(jīng)過的轉換過程稱為反向恢復過程。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。   由于反向恢復時間的存在，使二極管的開關速度受到限制。 

2、產(chǎn)生反向恢復過程的原因——電荷存儲效應 

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是由于二極管外加正向電壓VF時，載流子不斷擴散而存儲的結果。當外加正向電壓時Ｐ區(qū)空穴向Ｎ區(qū)擴散，Ｎ區(qū)電子向Ｐ區(qū)擴散，這樣，不僅使勢壘區(qū)（耗盡區(qū)）變窄，而且使載流子有相當數(shù)量的存儲，在Ｐ區(qū)內存儲了電子，而在Ｎ區(qū)內存儲了空穴 ，它們都是非平衡少數(shù)載流于，如下圖所示。

空穴由Ｐ區(qū)擴散到Ｎ區(qū)后，并不是立即與Ｎ區(qū)中的電子復合而消失，而是在一定的路程LP（擴散長度）內，一方面繼續(xù)擴散，一方面與電子復合消失，這樣就會在LP范圍內存儲一定數(shù)量的空穴，并建立起一定空穴濃度分布，靠近結邊緣的濃度最大，離結越遠，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)的情況也類似，下圖為二極管中存儲電荷的分布。

我們把正向導通時，非平衡少數(shù)載流子積累的現(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，但它們將通過下列兩個途徑逐漸減少：

① 在反向電場作用下，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，如下圖所示；

②與多數(shù)載流子復合。 

在這些存儲電荷消失之前，ＰＮ結仍處于正向偏置，即勢壘區(qū)仍然很窄，ＰＮ結的電阻仍很小，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 VR>>VD，即 IR＝VR／RL。在這段期間，IR基本上保持不變，主要由VR和RL所決定。經(jīng)過時間ts后Ｐ區(qū)和Ｎ區(qū)所存儲的電荷已顯著減小，勢壘區(qū)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)過時間tt，二極管轉為截止。 

3、由上可知，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。

二極管和一般開關的不同在于,“開”與“關”由所加電壓的極性決定, 而且“開”態(tài)有微小的壓降V f,“關”態(tài)有微小的電流i0。當電壓由正向變?yōu)榉聪驎r, 電流并不立刻成為(- i0) , 而是在一段時間ts 內, 反向電流始終很大, 二極管并不關斷。經(jīng)過ts后, 反向電流才逐漸變小, 再經(jīng)過tf 時間, 二極管的電流才成為(- i0) , ts 稱為儲存時間, tf 稱為下降時間。tr= ts+ tf 稱為反向恢復時間, 以上過程稱為反向恢復過程。這實際上是由電荷存儲效應引起的, 反向恢復時間就是存儲電荷耗盡所需要的時間。該過程使二極管不能在快速連續(xù)脈沖下當做開關使用。如果反向脈沖的持續(xù)時間比tr 短, 則二極管在正、反向都可導通, 起不到開關作用。

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