二极管（一）：反向恢复时间

2023-11-01

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~ $t_{1}$ 时间内，输入为 $+V_{F}$ ，二极管导通，电路中有电流流过。

假设二极管的正向压降为 $V_{D}$ ，当 $V_{F}$ 远大于 $V_{D}$ 时， $V_{D}$ 可忽略不计；
如果在 $t_{1}$ 时刻，输入 $V_{1}$ 突然从 $+V_{F}$ 变为 $-V_{R}$ ，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 $I_{F}$ 变为一个很大的反向电流 $I_{R}=\frac{V_{R}}{R_{L}}$ ，这个反向电流会维持一段时间 $t_{s}$ 后才开始逐渐下降，再经过 $t_{t}$ 时间后，下降到一个很小的数值 $0.1*I_{R}$ ，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 $t_{s}$ 称为存储时间， $t_{t}$ 称为渡越时间， $t_{re}=t_{s}+t_{t}$ 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 $+V_{F}$ 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 $L_{P}$ （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 $L_{P}$ 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 $+V_{F}$ 变为 $-V_{R}$ 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：
1.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 $I_{R}$ ；
2.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 $R_{l}$ 相比可以忽略，所以此时反向电流 $I_{R}=\frac{V_{R}+V_{D}}{R_{L}}$ 。 $V_{D}$ 表示PN结两端的正向压降，一般有 $V_{R}>>V_{D}$ ，即 $I_{R}=\frac{V_{R}}{R_{L}}$ 。在这段时间， $I_{R}$ 基本上保持不变，主要由 $V_{R}$ 和 $R_{l}$ 决定。经过 $t_{s}$ 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 $I_{R}$ 逐渐减小到正常反向饱和电流的数值，经过 $t_{t}$ 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 $t_{re}=t_{s}+t_{t}$ 短，则二极管在正、反方向都可以导通，起不到开关的作用。

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