二極管的電容效應(yīng)、等效電路及開關(guān)特性全面解析

一、二極管的電容效應(yīng)

二極管具有電容效應(yīng)。它的電容包括勢(shì)壘電容CB和擴(kuò)散電容CD。

1.勢(shì)壘電容CB(Cr)

PN結(jié)內(nèi)缺少導(dǎo)電的載流子，其電導(dǎo)率很低，相當(dāng)于介質(zhì);而PN結(jié)兩側(cè)的P區(qū)、N區(qū)的電導(dǎo)率高，相當(dāng)于金屬導(dǎo)體。從這一結(jié)構(gòu)來看，PN結(jié)等效于一個(gè)電容器。事實(shí)上，當(dāng)PN結(jié)兩端加正向電壓時(shí)，PN結(jié)變窄，結(jié)中空間電荷量減少，相當(dāng)于電容"放電"，當(dāng)PN結(jié)兩端加反向電壓時(shí)，PN結(jié)變寬，結(jié)中空間電荷量增多，相當(dāng)于電容"充電"。

這種現(xiàn)象可以用一個(gè)電容來模擬，稱為勢(shì)壘電容。勢(shì)壘電容與普通電容不同之處，在于它的電容量并非常數(shù)，而是與外加電壓有關(guān)。當(dāng)外加反向電壓增大時(shí)，勢(shì)壘電容減小;反向電壓減小時(shí)，勢(shì)壘電容增大。目前廣泛應(yīng)用的變?nèi)荻O管，就是利用PN結(jié)電容隨外加電壓變化的特性制成的。

2.擴(kuò)散電容CDPN

結(jié)正向偏置時(shí)，N區(qū)的電子向P區(qū)擴(kuò)散，在P區(qū)形成一定的非平衡載流子的濃度分布，即靠近PN結(jié)一側(cè)濃度高，遠(yuǎn)離PN結(jié)的一側(cè)濃度低。顯然，在P區(qū)積累了電子，即存貯了一定數(shù)量的負(fù)電荷;同樣，在N區(qū)也積累了空穴，即存貯了一定數(shù)的正電荷。當(dāng)正向電壓加大時(shí)，擴(kuò)散增強(qiáng)，這時(shí)由N區(qū)擴(kuò)散到P區(qū)的電子數(shù)和由P區(qū)擴(kuò)散到N區(qū)的空穴數(shù)將增多，致使在兩個(gè)區(qū)域內(nèi)形成了電荷堆積，相當(dāng)于電容器的充電。

相反，當(dāng)正向電壓減小時(shí)，擴(kuò)散減弱，即由N區(qū)擴(kuò)散到P區(qū)的電子數(shù)和由P區(qū)擴(kuò)散到N區(qū)的空穴數(shù)減少，造成兩個(gè)區(qū)域內(nèi)電荷的減少，這相當(dāng)于電容器放電。因此，可以用一個(gè)電容來模擬，稱為擴(kuò)散電容。

總之，二極管呈現(xiàn)出兩種電容，它的總電容Cj相當(dāng)于兩者的并聯(lián)，即Cj=CB + CD。二極管正向偏置時(shí)，擴(kuò)散電容遠(yuǎn)大于勢(shì)壘電容 Cj≈CD ;而反向偏置時(shí)，擴(kuò)散電容可以忽略，勢(shì)壘電容起主要作用，Cj≈CB 。

二、二極管的等效電路

二極管是一個(gè)非線性器件，對(duì)于非線性電路的分析與計(jì)算是比較復(fù)雜的。為了使電路的分析簡(jiǎn)化，可以用線性元件組成的電路來模擬二極管。使線性電路的電壓、電路關(guān)系和二極管外特性近似一致，那么這個(gè)線性電路就稱為二極管的等效電路。顯然等效電路是在一定條件下的近似。

二極管應(yīng)用于直流電路時(shí)，常用一個(gè)理想二極管模型來等效，可把它看成一個(gè)理想開關(guān)。正偏時(shí)，相當(dāng)于"開關(guān)"閉合(ON)，電阻為零，壓降為零;反偏時(shí)，相當(dāng)于"開關(guān)"斷開(OFF)，電阻為無限大，電流為零。由于理想二極管模型突出表現(xiàn)了二極管最基本的特性--單向?qū)щ娦?，所以廣泛應(yīng)用于直流電路及開關(guān)電路中。

在直流電路中如果考慮到二極管的電阻和門限電壓的影響。實(shí)際二極管可用圖Z0112所示的電路來等效。在二極管兩端加直流偏置電壓和工作在交流小信號(hào)的條件下，可以用簡(jiǎn)化的電路來等效。圖中rs為二極管P區(qū)和N區(qū)的體電阻。

三、二極管的開關(guān)特性

二極管正偏時(shí)導(dǎo)通，相當(dāng)于開關(guān)的接通;反偏時(shí)截止相當(dāng)于開關(guān)的斷開，表明二極管具有開關(guān)特性。不過一個(gè)理想的開關(guān)，在接通時(shí)開關(guān)本身電阻為零，壓降為零，而斷開時(shí)電阻為無窮大，電流為零，而且要求在高速開關(guān)時(shí)仍具有以上特性，不需要開關(guān)時(shí)間。但實(shí)際二極管作為開關(guān)運(yùn)用，并不是太理想的。因?yàn)槎O管正向?qū)〞r(shí)，其正向電阻和正向降壓均不為零;反向戳止時(shí)，其反向電阻也不是無窮大，反向電流也不為零。并且二極管開、關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換需要一定時(shí)間.這就限制了它的開關(guān)速度。因此作開關(guān)時(shí)，應(yīng)選用正向電阻RF小、反向電阻RR大、開關(guān)時(shí)間小的開關(guān)二極管。

續(xù)流二極管的作用如下：快恢復(fù)二極管主要用作續(xù)流二極管，與快速開關(guān)三極管并聯(lián)后面帶感性負(fù)載，如Buck，Boost變換器的電感、變壓器和電機(jī)，這些電路大部分是用恒脈脈寬調(diào)制控制，感性負(fù)載決定了流過續(xù)流二極管的電流是連續(xù)的，三極管開通時(shí)，續(xù)流支路要截止以防短路，下面例子給出了三極管與續(xù)流二極管的相互作用。

圖1是簡(jiǎn)化的Buck電路。其輸出電壓Vout低于輸入電壓Vin。圖2是T1的控制信號(hào)和T1，D1的電壓、電流波形。有源器件T1，D1的開通關(guān)斷相位如下：

T0時(shí)刻T1有開通信號(hào)。輸入電壓Vin加在L，Cout的串聯(lián)支路，使iL線性增加。電感L和Vout決定電流，過一段時(shí)間后控制器使T1關(guān)斷，在斷續(xù)工作時(shí)，電感L儲(chǔ)能(W=0.5LiL2)通過續(xù)流支路傳送到Cout。在t2時(shí)刻T1再次開通，整個(gè)過程重復(fù)。

二極管的開關(guān)過程可分為四部分:A.T1導(dǎo)通時(shí)二極管阻斷;B.阻斷到導(dǎo)通時(shí)間;開通;C.T1關(guān)斷，二極管導(dǎo)通;D.導(dǎo)通到關(guān)斷瞬間;關(guān)斷。

A. 阻斷MOFET導(dǎo)通時(shí)，二極管兩端的反壓是Vin。與所有的半導(dǎo)體一樣，二極管的陽(yáng)極到陰極有一個(gè)小電流(耐電流IR)，漏電流由阻斷電壓，二極管芯片工作溫度和二極管制作技術(shù)決定。反向電壓導(dǎo)致的總功率損耗是：PSP=VIN·IR

B. 開通三極管T1關(guān)斷瞬間，電感電流iL保持不變。二極管兩端電壓逐漸減小，電流逐漸上升。D1的電流上升時(shí)間等于T1的電流下降時(shí)間。關(guān)斷時(shí)在pn結(jié)存儲(chǔ)的大量電荷被載流子帶走，使得電流上升時(shí)pn結(jié)的電阻減小，二極管開通時(shí)有電壓尖峰，由芯片溫度、-diF/dt和芯片工藝決定。

正向電壓尖峰與反向電壓相比很小(<50V)，應(yīng)用時(shí)不影響二極管的工作(圖7中的D1波形)。但是二極管的開通電壓尖峰增加了三極管的電壓應(yīng)力和關(guān)斷損耗。

電壓尖峰VFR決定了二極管的開通捌耗。這些損耗隨開關(guān)頻率線性增加。

C. 通態(tài)二極管導(dǎo)通正向電流lF，pn結(jié)的門限電壓和半導(dǎo)體的電阻決定正向壓降VF。這個(gè)電壓由芯片溫度、正向電流IF和制造工藝決定。利用數(shù)據(jù)手冊(cè)中的VTO和rT可以計(jì)算正向壓降和通態(tài)損耗。

圖3所示正向壓降的簡(jiǎn)化模型是：VF=rT·IF+VTO

相應(yīng)的通態(tài)損耗是：

計(jì)算出來的損耗只是近似值，因?yàn)閂TO和rT隨溫度變化，而給出的只是在一定溫度下(TVJM的參考值。

D. 關(guān)斷與通態(tài)特性不同，高頻應(yīng)用時(shí)二極管的選擇是否合適主要取決于關(guān)斷特性的參數(shù)，三極管開通時(shí)，電流IF的變化率等于三極管電流上升率di/dt。如果使用MOSFET或IGBT，其-diF/dt很容易超過1000A/μs。前面提到，二極管恢復(fù)阻斷能力前必須去除通態(tài)時(shí)存儲(chǔ)在pn結(jié)的載流子。這就會(huì)產(chǎn)生反向恢復(fù)電流，其波形取決于芯片溫度、正向電流IF，-diF/dt和制造工藝。

圖4是正向特性相同的金摻雜和鉑摻雜外延型二極管不同溫度下的反向恢復(fù)電流。

相同溫度下不同制造工藝的二極管的反向恢復(fù)特性明顯不同。

鉑摻雜二極管反向恢復(fù)電流的減小速度很快(圖5(b))，可控少數(shù)載流子的金摻雜二極管的恢復(fù)特性較軟(圖5(a))。

恢復(fù)電流減小得很快，線路中分布電感導(dǎo)致的電壓尖峰越高。如果最大電壓超過三極管的耐壓值，就必須使用吸收電路以保障設(shè)備的安全工作。而且過高的du/dt會(huì)導(dǎo)致EMI/RFI問題，在RFI受限的地方要使用復(fù)雜的屏蔽。

二極管的反向恢復(fù)電流不僅會(huì)增加二極管的關(guān)斷損耗。還會(huì)增加三極管的開通損耗，因?yàn)樗彩嵌O管的反向電流。圖6(a)和(b)表明三極管開通電流是電感電流加上二極管的反向恢復(fù)電流，而且開通時(shí)間受trr影響會(huì)增大。

圖6(a)和(b)重點(diǎn)說明軟恢復(fù)特性時(shí)低恢復(fù)電流的好處。首先，軟恢復(fù)特性的金摻雜二極管的電壓尖峰較小和反向恢復(fù)電流較小。因此二極管有低關(guān)斷損耗。其次，低反向恢復(fù)電流可減小三極管的開通損耗。因此，二極管的選擇直接決定了兩個(gè)器件的功率損耗。

二極管的工作原理

二極管的主要原理就是利用PN結(jié)的單向?qū)щ娦?，在PN結(jié)上加上引線和封裝就成了一個(gè)二極管。

晶體二極管為一個(gè)由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體形成的PN結(jié)，在其界面處兩側(cè)形成空間電荷層，并建有自建電場(chǎng)。當(dāng)不存在外加電壓時(shí)，由于PN結(jié)兩邊載流子濃度差引起的擴(kuò)散電流和自建電場(chǎng)引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態(tài)。

當(dāng)外界有正向電壓偏置時(shí)，外界電場(chǎng)和自建電場(chǎng)的互相抑消作用使載流子的擴(kuò)散電流增加引起了正向電流。當(dāng)外界有反向電壓偏置時(shí)，外界電場(chǎng)和自建電場(chǎng)進(jìn)一步加強(qiáng)，形成在一定反向電壓范圍內(nèi)與反向偏置電壓值無關(guān)的反向飽和電流。

當(dāng)外加的反向電壓高到一定程度時(shí)，PN結(jié)空間電荷層中的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到臨界值產(chǎn)生載流子的倍增過程，產(chǎn)生大量電子空穴對(duì)，產(chǎn)生了數(shù)值很大的反向擊穿電流，稱為二極管的擊穿現(xiàn)象。PN結(jié)的反向擊穿有齊納擊穿和雪崩擊穿之分。

PN結(jié)形成原理

P型半導(dǎo)體是在本征半導(dǎo)體（一種完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體）摻入少量三價(jià)元素雜質(zhì)，如硼等。

因硼原子只有三個(gè)價(jià)電子，它與周圍的硅原子形成共價(jià)鍵，因缺少一個(gè)電子，在晶體中便產(chǎn)生一個(gè)空位，當(dāng)相鄰共價(jià)鍵上的電子獲得能量時(shí)就有可能填補(bǔ)這個(gè)空位，使硼原子成了不能移動(dòng)的負(fù)離子，而原來的硅原子的共價(jià)鍵則因缺少一個(gè)電子，形成了空穴，但整個(gè)半導(dǎo)體仍呈中性。這種P型半導(dǎo)體中以空穴導(dǎo)電為主，空穴為多數(shù)載流子，自由電子為少數(shù)載流子。

N型半導(dǎo)體形成的原理和P型原理相似。在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)原子，如磷等。摻入后，它與硅原子形成共價(jià)鍵，產(chǎn)生了自由電子。在N型半導(dǎo)體中，電子為多數(shù)載流子，空穴為少數(shù)載流子。

因此，在本征半導(dǎo)體的兩個(gè)不同區(qū)域摻入三價(jià)和五價(jià)雜質(zhì)元素，便形成了P型區(qū)和N型區(qū)，根據(jù)N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的特性，可知在它們的交界處就出現(xiàn)了電子和空穴的濃度差異，電子和空穴都要從濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域擴(kuò)散，它們的擴(kuò)散使原來交界處的電中性被破壞。

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