二極管的開關(guān)作用和反向恢復時間

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)會定性地討論二極管的開關(guān)瞬態(tài)以及電荷的存儲效應。在不經(jīng)任何數(shù)學推導的情況下，簡單給出描述開關(guān)時間的表達式。

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。

當開關(guān)K打向A時，二極管處于正向，電流很大，相當于接有負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));

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

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

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

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

隨著時間的延長，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)時停止。在穩(wěn)態(tài)時，流入N區(qū)的空穴正好與N區(qū)內(nèi)復合掉的空穴數(shù)目相等，流入P區(qū)的電子也正好與P區(qū)內(nèi)復合掉的電子數(shù)目相等，達到動態(tài)平衡，流過P-N結(jié)的電流為一常數(shù)I1。

隨著勢壘區(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，二極管就工作在導通狀態(tài)。

當某一時刻在外電路上加的正脈沖跳變?yōu)樨撁}沖時

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

注意

反向恢復時間限制了二極管的開關(guān)速度。

(1)如果脈沖持續(xù)時間比二極管反向恢復時間長得多，這時負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)時間和二極管的反向恢復時間差不多甚至更短的話，這時由于反向恢復過程的影響，負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)時間不能太短，也就意味著脈沖的重復頻率不能太高，這就限制了開關(guān)的速度。