二极管结电容和反向恢复时间都是怎么来的-凡亿课堂

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，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，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？

少数载流子，指的是N区中的空穴，P区中的电子。要知道，N区中有更多的电子，就因为P区中的空穴扩散到N区，N区就带正电了吗？

事实确实是如此的，这需要我们发挥下想象力。

假如没有扩散作用，N区中电子是多子，且电子带负电，但是整个N区是电中性的，因为N区是硅原子和正五价原子构成，它们都是中性的。同理P区中空穴是多子，整体也是电中性的。

现在将N区和P区放到一起，并加上正电压，就有了正向电流。N区的电子向P区移动，P区的空穴向N区移动，如果电子和空穴都在交界处复合消失，那么N区和P区还是电中性的。

但事实是，电子和空穴有的会擦肩而过，电子会在冲进P区，空穴也会冲进N区。尽管P区有很多空穴，电子进入后也不会马上和空穴复合消失，而是会存在一段时间。这时如果我们看P区整体，它不再是电中性了，它有了净电荷。电荷数量就是还没有复合的电子数量，也就是少数载流子的数量。同理，N区也有净电荷，为少数载流子空穴的数量。

所以说，扩散电容是少数载流子的积累效应。

事实表明，PN结正偏的时候，结电容主要是扩散电容，PN结反偏的时候，结电容主要是势垒电容。

说我二极管的结电容，再来看看反向恢复时间。

反向恢复时间

由PN结构成的二极管都会有一个trr的参数，这个参数就是二极管的反向恢复时间。

从上一节内容我们知道，trr这个参数决定了二极管的最高工作频率。

那反向恢复时间到底是怎么来的呢？我们来看下面这个图

在t＜0时，二极管接正向电源，正向电流为（Vf-Va）/Rf。

可以想象，此时PN结处充斥的很多的载流子，也就是存储了很多的电荷。

如果我们开启上帝视角，会发现，整个PN结，包括内建电场区，到处都有载流子存在。也就是说，现在整个PN结相当于是良导体，如果电源迅速反向，电流也是可以迅速反向的。

在t=0时，二极管接反向电源，但是此时PN结正偏的特性不会马上改变。

为什么PN结的正偏特性不会改变呢？

可以这么看，PN结反偏时内建电场区是基本没有电荷的，很明显，现在存了很多电荷，不把这些电荷搞掉，正偏特性不会变化的。也可以理解为是结电容导致电压不能突变，电荷没放完，结两端的电压就不会变反向。

与此同时，因为存储了大量电荷，此时PN结可以看成良导体，电流立马反向，反向电流为（Vr Va）/Rr。

不过需要注意，这时电流的成因是少数载流子反向运动的结果，随着时间推移，少数载流子数量是越来越少的。

在t=ts时，PN结中心处少数载流子被消耗光了，此时PN结的内建电场区开始建立，二极管开始恢复阻断能力。在这之后，P区和N区剩余的载流子已经不能反向运动了，因为中间断了。不过，P区和N区还有剩余的载流子存在，并不为0，几个时刻的载流子浓度分布如下图。

在t>ts之后，中间被阻断，那是不是整体电流就立马下降到0呢？其实不是的，电流还是存在的，因为P区和N区各自剩余的少数载流子并没有达到热平衡，最终会复合消失，这个复合会产生电流。

这个可能不好理解，中间都断了，不允许电荷穿过，怎么还能有电流呢？

我是这么想的，P区剩余的少数载流子是电子，前面说过，这导致P区整体看起来带负电。复合完成之后，P区整体是不带电的，这些电荷必然是慢慢回到了电源，那自然就有了电流。

这类似于电容充放电会形成电流，电容充放电时，两极板中间绝缘，也不会有电荷移动。

所以，尽管中间阻断了，也还是有电流的，只有当重新达到热平衡，复合电流才会为0。

整个过程，电源电压，二极管两端电压，反向电流的波形图如下所示，图中的trr就是反向恢复时间

如果上网多看看的话，我们有时也会看到这样的图，二极管反向电流最大值的地方并不是平的，并且二极管两端电压会出现反向尖峰。

那到底哪个图是对的呢？

其实，这个差异，仅仅只是电路的不同。如果看明白前面说的二极管反向恢复电流的形成过程，这个图也就能理解了。

前面画的波形，我们的电路中串联有电阻，当没有这个电阻的时候，或者说电阻很小的时候。反向电流会非常大，而从正向电流变为反向电流，这需要时间，这会导致di/dt非常大。此时，电路中的电感就不能忽略了，因为有电感的存在，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。

整个过程如下：

在t<0<>时，电感有正向的电流。

在t=0时，电源突然反向，因为二极管内部充满电荷，此时相当于导体，所以压降很小，这导致反向电压全都落在了电感上面，因此电流以斜率为di/dt=(Vr Va)/L下降。

在t=ts时，二极管开始恢复阻断能力，此时电流达到最大，随后反向电流会下降。

在t>ts后，二极管的电流为复合电流，随着载流子越来越少，电流也越来越小。此时电感会阻碍电流变小，因此会产生反向感应电压，这会导致在二极管两侧的反向电压比电源电压还大，也就是会出现反向电压尖峰Vrm。随着时间越来越长，复合电流基本为0了，电感电压也就基本为0了，此时二极管两端电压也就等于电源电压Vr。

总的来说，反向恢复时间就是正向导通时PN结存储的电荷耗尽所需要的时间。

因此，就很容易明白下面这些：

1、反向电源电压越小，反向恢复电流越小，电荷耗尽越慢，反向恢复时间越长。

2、正向电流越大，存储的电荷越多，耗尽时间越长，反向恢复时间越长。

3、半导体材料的载流子复合效率越低，寿命越长，电荷耗尽时间越长，反向恢复时间越长。

结尾

本文主要说明了二极管的结电容由扩散电容和势垒电容构成，以及它们形成的原理。还有就是二极管的反向恢复过程是怎么样的。

勘误

上一节我们说二极管的反向恢复时间不是由结电容决定的，这个说法需要纠正下。如果说反向恢复时间，就是正向导通时PN结存储的电荷耗尽所需要的时间，那这跟扩散电容还是有很大的关系的。

考虑到我们能从规格书中看到的结电容参数，其实是二极管在反偏下的，这个电容其实主要是势垒电容，跟扩散电容基本没毛关系，因为反偏时电流非常小，那电荷存储就更小了。

所以就纠正为下面这句话吧：

一般二极管规格书中，标注的结电容主要是势垒电容，它跟反向恢复时间基本没关系。