恢复二极管 二极管结电容和反向恢复时间都是怎么来的

上期内容,我们主要举例说明了,二极管的反向恢复时间并不等于规格书中结电容的充放电时间。这个结论是从二极管的规格书参数中直接得来的,并没有正面说明为啥。

下面就来正面刚…

结电容

先说结电容。

二极管是两个管脚的器件,说来不怕丢人,我曾误以为:二极管的结电容就是它的两个管脚形成的寄生电容,因为两个极板放到一起,就构成了一个电容。

当然了,两个管脚确实会形成电容,不过这个电容很小,相比结电容来说,可以忽略不计了。

那结电容到底指的是什么呢?所有的道理,其实都在PN结里面恢复二极管,我们稍稍深入了解下PN结,答案就出来了。

结电容有两种,分别是势垒电容和扩散电容。

势垒电容

我们知道,P区空穴多,N区电子多,因为扩散,会在中间形成内建电场区。N区那边失去电子带正电荷,P区那边得到电子带负电荷。

当给PN结加上稳定的电压,那么稳定后,内建电场区的厚度也会稳定为一个值,也就是说内部电荷一定。如果PN结上的电压向反偏的方向增大,那么内建电场区厚度也增加,即内部电荷增多。反之,如果电压减小,那么内部电荷减少。

这样一看,不就和电容充放电现象一样吗?

PN结两端电压变化,引起积累在中间区域的电荷数量的改变,从而呈现电容效应,这个电容就是势垒电容。

上面是对结电容的理解,那么这个结电容大小等于多少呢?如下图

我们知道,势垒宽度恢复二极管,也就是内建电场区的宽度,是与电压相关的。所以说,不同的电压下,势垒电容的大小也是不同的。

所以,当你随意翻开某二极管的规格书,你看到的结电容参数,它会指定测试条件。通常这个条件是1MHz,电压为-4V(反偏)。

事实表明,二极管在反偏时,势垒电容起主要作用,而正偏时,扩散电容起主要作用。下面看看扩散电容。

扩散电容

相比与势垒电容,扩散电容要更难以理解。

我先摆出文字定义

扩散电容:当有外加正向偏压时,在p-n结两侧的少子扩散区内,都有一定的少数载流子的积累,而且它们的密度随电压而变化,形成一个附加的电容效应,称为扩散电容。

下面看看这一段话怎么理解。

当PN结加上正向电压,内部电场区被削弱,因为浓度差异,P区空穴向N区扩散,N区的电子向P区扩散。

扩散的空穴和电子在内部电场区相遇,会有部分空穴和电子复合而消失,也有部分没有消失。没有复合的空穴和电子穿过内部电场区,空穴进入N区,电子进入P区。

进入N区的空穴,并不是立马和N区的多子-电子复合消失,而是在一定的距离内,一部分继续扩散,一部分与N区的电子复合消失。

显然,N区中靠近内部电场区处的空穴浓度是最高的,距离N区越远,浓度越低,因为空穴不断复合消失。同理,P区也是一样,浓度随着远离内部电场区而逐渐降低。总体浓度分布如下图所示。

当外部电压稳定不变的时候,最终P区中的电子,N区中的空穴浓度也是稳定的。也就是说,P区中存储了数量一定的电子,N区中存储了数量一定的空穴。如果外部电压不变,存储的电子和空穴数量就不会发生变化,也就是说稳定存储了一定的电荷。

但是,如果电压发生变化,比如正向电压降低,电流减小,单位时间内涌入N区中的空穴也会减小,这样N区中空穴浓度必然会降低。同理,P区中电子浓度也降低。所以,稳定后,存储的电子和空穴的数量想比之前会更少,也就是说存储的电荷就变少了。

这不就是一个电容吗?电压变化,存储的电荷量也发生了变化,跟电容的表现一模一样,这电容就是扩散电容了。

那这个电容大小是多少呢?

扩散电容随正向偏压按指数规律增加。这也是扩散电容在大的正向偏压下起主要作用的原因。

如上图,二极管的电流也与正向偏压按指数规律增加,所以,扩散电容的大小与电流的大小差不多是正比的关系。

问题困扰

关于扩散电容,曾经有一个问题困扰了我:为什么是少数载流子的积累呈现电容效应?多子不行吗?


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