二極管的電容效應、等效電路及開(kāi)關(guān)特性全面解析

一、二極管的電容效應

二極管具有電容效應。它的電容包括勢壘電容CB和擴散電容CD。

1.勢壘電容CB(Cr)

PN結內缺少導電的載流子，其電導率很低，相當于介質(zhì);而PN結兩側的P區、N區的電導率高，相當于金屬導體。從這一結構來(lái)看，PN結等效于一個(gè)電容器。事實(shí)上，當PN結兩端加正向電壓時(shí)，PN結變窄，結中空間電荷量減少，相當于電容"放電"，當PN結兩端加反向電壓時(shí)，PN結變寬，結中空間電荷量增多，相當于電容"充電"。

這種現象可以用一個(gè)電容來(lái)模擬，稱(chēng)為勢壘電容。勢壘電容與普通電容不同之處，在于它的電容量并非常數，而是與外加電壓有關(guān)。當外加反向電壓增大時(shí)，勢壘電容減小;反向電壓減小時(shí)，勢壘電容增大。目前廣泛應用的變容二極管，就是利用PN結電容隨外加電壓變化的特性制成的。

2.擴散電容CDPN

結正向偏置時(shí)，N區的電子向P區擴散，在P區形成一定的非平衡載流子的濃度分布，即靠近PN結一側濃度高，遠離PN結的一側濃度低。顯然，在P區積累了電子，即存貯了一定數量的負電荷;同樣，在N區也積累了空穴，即存貯了一定數的正電荷。當正向電壓加大時(shí)，擴散增強，這時(shí)由N區擴散到P區的電子數和由P區擴散到N區的空穴數將增多，致使在兩個(gè)區域內形成了電荷堆積，相當于電容器的充電。

相反，當正向電壓減小時(shí)，擴散減弱，即由N區擴散到P區的電子數和由P區擴散到N區的空穴數減少，造成兩個(gè)區域內電荷的減少，這相當于電容器放電。因此，可以用一個(gè)電容來(lái)模擬，稱(chēng)為擴散電容。

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

二、二極管的等效電路

二極管是一個(gè)非線(xiàn)性器件，對于非線(xiàn)性電路的分析與計算是比較復雜的。為了使電路的分析簡(jiǎn)化，可以用線(xiàn)性元件組成的電路來(lái)模擬二極管。使線(xiàn)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(xiàn)性電路就稱(chēng)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。

二極管應用于直流電路時(shí)，常用一個(gè)理想二極管模型來(lái)等效，可把它看成一個(gè)理想開(kāi)關(guān)。正偏時(shí)，相當于"開(kāi)關(guān)"閉合(ON)，電阻為零，壓降為零;反偏時(shí)，相當于"開(kāi)關(guān)"斷開(kāi)(OFF)，電阻為無(wú)限大，電流為零。由于理想二極管模型突出表現了二極管最基本的特性--單向導電性，所以廣泛應用于直流電路及開(kāi)關(guān)電路中。

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

三、二極管的開(kāi)關(guān)特性

二極管正偏時(shí)導通，相當于開(kāi)關(guān)的接通;反偏時(shí)截止相當于開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)，表明二極管具有開(kāi)關(guān)特性。不過(guò)一個(gè)理想的開(kāi)關(guān)，在接通時(shí)開(kāi)關(guān)本身電阻為零，壓降為零，而斷開(kāi)時(shí)電阻為無(wú)窮大，電流為零，而且要求在高速開(kāi)關(guān)時(shí)仍具有以上特性，不需要開(kāi)關(guān)時(shí)間。但實(shí)際二極管作為開(kāi)關(guān)運用，并不是太理想的。因為二極管正向導通時(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(wú)窮大，反向電流也不為零。并且二極管開(kāi)、關(guān)狀態(tài)的轉換需要一定時(shí)間.這就限制了它的開(kāi)關(guān)速度。因此作開(kāi)關(guān)時(shí)，應選用正向電阻RF小、反向電阻RR大、開(kāi)關(guān)時(shí)間小的開(kāi)關(guān)二極管。

續流二極管的作用如下：快恢復二極管主要用作續流二極管，與快速開(kāi)關(guān)三極管并聯(lián)后面帶感性負載，如Buck，Boost變換器的電感、變壓器和電機，這些電路大部分是用恒脈脈寬調制控制，感性負載決定了流過(guò)續流二極管的電流是連續的，三極管開(kāi)通時(shí)，續流支路要截止以防短路，下面例子給出了三極管與續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的控制信號和T1，D1的電壓、電流波形。有源器件T1，D1的開(kāi)通關(guān)斷相位如下：

T0時(shí)刻T1有開(kāi)通信號。輸入電壓Vin加在L，Cout的串聯(lián)支路，使iL線(xiàn)性增加。電感L和Vout決定電流，過(guò)一段時(shí)間后控制器使T1關(guān)斷，在斷續工作時(shí)，電感L儲能(W=0.5LiL2)通過(guò)續流支路傳送到Cout。在t2時(shí)刻T1再次開(kāi)通，整個(gè)過(guò)程重復。

二極管的開(kāi)關(guān)過(guò)程可分為四部分:A.T1導通時(shí)二極管阻斷;B.阻斷到導通時(shí)間;開(kāi)通;C.T1關(guān)斷，二極管導通;D.導通到關(guān)斷瞬間;關(guān)斷。

A. 阻斷MOFET導通時(shí)，二極管兩端的反壓是Vin。與所有的半導體一樣，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。反向電壓導致的總功率損耗是：PSP=VIN·IR

B. 開(kāi)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結存儲的大量電荷被載流子帶走，使得電流上升時(shí)pn結的電阻減小，二極管開(kāi)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(kāi)通電壓尖峰增加了三極管的電壓應力和關(guān)斷損耗。

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

C. 通態(tài)二極管導通正向電流lF，pn結的門(mén)限電壓和半導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。利用數據手冊中的VTO和rT可以計算正向壓降和通態(tài)損耗。

圖3所示正向壓降的簡(jiǎn)化模型是：VF=rT·IF+VTO

相應的通態(tài)損耗是：

計算出來(lái)的損耗只是近似值，因為VTO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，三極管開(kāi)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(guò)1000A/μs。前面提到，二極管恢復阻斷能力前必須去除通態(tài)時(shí)存儲在pn結的載流子。這就會(huì )產(chǎn)生反向恢復電流，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電流。

相同溫度下不同制造工藝的二極管的反向恢復特性明顯不同。

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

恢復電流減小得很快，線(xiàn)路中分布電感導致的電壓尖峰越高。如果最大電壓超過(guò)三極管的耐壓值，就必須使用吸收電路以保障設備的安全工作。而且過(guò)高的du/dt會(huì )導致EMI/RFI問(wèn)題，在RFI受限的地方要使用復雜的屏蔽。

二極管的反向恢復電流不僅會(huì )增加二極管的關(guān)斷損耗。還會(huì )增加三極管的開(kāi)通損耗，因為它也是二極管的反向電流。圖6(a)和(b)表明三極管開(kāi)通電流是電感電流加上二極管的反向恢復電流，而且開(kāi)通時(shí)間受trr影響會(huì )增大。

圖6(a)和(b)重點(diǎn)說(shuō)明軟恢復特性時(shí)低恢復電流的好處。首先，軟恢復特性的金摻雜二極管的電壓尖峰較小和反向恢復電流較小。因此二極管有低關(guān)斷損耗。其次，低反向恢復電流可減小三極管的開(kāi)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結的單向導電性，在PN結上加上引線(xiàn)和封裝就成了一個(gè)二極管。

晶體二極管為一個(gè)由P型半導體和N型半導體形成的PN結，在其界面處兩側形成空間電荷層，并建有自建電場(chǎng)。當不存在外加電壓時(shí)，由于PN結兩邊載流子濃度差引起的擴散電流和自建電場(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散電流增加引起了正向電流。當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，形成在一定反向電壓范圍內與反向偏置電壓值無(wú)關(guān)的反向飽和電流。

當外加的反向電壓高到一定程度時(shí)，PN結空間電荷層中的電場(chǎng)強度達到臨界值產(chǎn)生載流子的倍增過(guò)程，產(chǎn)生大量電子空穴對，產(chǎn)生了數值很大的反向擊穿電流，稱(chēng)為二極管的擊穿現象。PN結的反向擊穿有齊納擊穿和雪崩擊穿之分。

PN結形成原理

P型半導體是在本征半導體（一種完全純凈的、結構完整的半導體晶體）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?chē)墓柙有纬晒矁r(jià)鍵，因缺少一個(gè)電子，在晶體中便產(chǎn)生一個(gè)空位，當相鄰共價(jià)鍵上的電子獲得能量時(shí)就有可能填補這個(gè)空位，使硼原子成了不能移動(dòng)的負離子，而原來(lái)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)半導體仍呈中性。這種P型半導體中以空穴導電為主，空穴為多數載流子，自由電子為少數載流子。

N型半導體形成的原理和P型原理相似。在本征半導體中摻入五價(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型半導體中，電子為多數載流子，空穴為少數載流子。

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

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