二极管的开关作用和反向恢复时间

PN结二极管经常用来制作电开关。在正偏状态，即开态，很小的外加电压就能产生较大的电流，;在反偏状态，即关态，只有很小的电流存在于PN结内。我们最感兴趣的开关电路参数就是电路的开关速度。本节会定性地讨论二极管的开关瞬态以及电荷的存储效应。在不经任何数学推导的情况下，简单给出描述开关时间的表达式。

利用二极管正、反向电流相差悬殊这一特性，可以把二极管作开关使用。

当开关K打向A时，二极管处于正向，电流很大，相当于接有负载的外回路与电源相连的开关闭合，回路处于接通状态(开态);

当开关K打向B时，二极管处于反向，反向电流很小，相当于外回路的开关断开，回路处于断开状态(关态)。

在关态时，流过负载的电流就是二极管的反向电流IR。二极管的反向恢复时间

假设外加脉冲的波形如图(a)所示，则流过二极管的电流就如图(b)所示。

外电路加以正脉冲时

导通过程中，二极管P区向N区输运大量空穴，N区向P区输运大量电子。

随着时间的延长，N区内空穴和P区内电子不断增加，直到稳态时停止。在稳态时，流入N区的空穴正好与N区内复合掉的空穴数目相等，流入P区的电子也正好与P区内复合掉的电子数目相等，达到动态平衡，流过P-N结的电流为一常数I1。

随着势垒区边界上的空穴和电子密度的增加，P-N结上的电压逐步上升，在稳态即为VJ。此时，二极管就工作在导通状态。

当某一时刻在外电路上加的正脉冲跳变为负脉冲时

正向时积累在各区的大量少子要被反向偏置电压拉回到原来的区域，开始时的瞬间，流过P-N结的反向电流很大，经过一段时间后，原本积累的载流子一部分通过复合，一部分被拉回原来的区域，反向电流才恢复到正常情况下的反向漏电流值IR。正向导通时少数载流子积累的现象称为电荷储存效应。二极管的反向恢复过程就是由于电荷储存所引起的。反向电流保持不变的这段时间就称为储存时间ts。在ts之后，P-N结上的电流到达反向饱和电流IR，P-N结达到平衡。定义流过P-N结的反向电流由I2下降到0.1 I2时所需的时间为下降时间tf。储存时间和下降时间之和为(ts+tf)称为P-N结的关断时间(即为反向恢复时间)。

反向恢复时间限制了二极管的开关速度。

(1)如果脉冲持续时间比二极管反向恢复时间长得多，这时负脉冲能使二极管彻底关断，起到良好的开关作用;

(2) 如果脉冲持续时间和二极管的反向恢复时间差不多甚至更短的话，这时由于反向恢复过程的影响，负脉冲不能使二极管关断。

所以要保持良好的开关作用，脉冲持续时间不能太短，也就意味着脉冲的重复频率不能太高，这就限制了开关的速度。

二极管的反向恢复时间

二极管的反向恢复时间是二极管施加反向电压，电流反向从过零点到反向恢复电流Irm的1/10所需要的时间。这个时间与PN结的扩散电容有关；通过如下电路，详细讲解一下二极管的反向恢复时间。

在T<T0时，二极管接正电源，即二极管正向偏置，此时正向电流为（Vf-Va）/Rf，在这个过程中PN结附近存储有大量电荷；

当T=T0时，电源迅速反向，这时电流也会同步反向，但PN结的正偏特性不会马上改变，因为这个时候PN结附近有很多电荷（可理解为扩散电容在起作用）此时反向电流为（Vf+Va）/Rf

随着时间的推移，存储在PN结的电荷不断消耗，在T=Ts时，PN结的电荷消耗光了，此时PN结的内电场建立，二极管开始恢复阻断能力，反向电流开始下降

上述整个过程：

截图给的曲线会跟有些文章的曲线有出入，这是因为当电流快速变化时，需要考虑电路中的寄生电感，因为有寄生电感的存在，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；分析的时候请注意在二极管正向偏置的时候，会钳住电压，当二极管PN结存储电荷消耗完进入二极管反向偏置时，钳位消失

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