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1、正向恢復過程分析

 

外加正向電壓時，P區(qū)空穴向N區(qū)擴散，N區(qū)電子向P區(qū)擴散，勢壘區(qū)（耗盡區(qū)）變窄，在P區(qū)內(nèi)存儲了電子，而在N區(qū)內(nèi)存儲了空穴，它們都是非平衡少數(shù)載流子?？昭ㄓ蒔區(qū)擴散到N區(qū)后，一方面繼續(xù)擴散，一方面與電子復合消失，這樣就會有一定的空穴分布濃度分布，靠近結邊緣的濃度最大，離結越遠濃度越小。

導通初期，由于勢壘區(qū)電阻還未發(fā)生調(diào)制，載流子還來不及變化，導致勢壘區(qū)電阻高，形成較高的VFP,并隨外加電流的增大而增大，隨著空穴濃度的增加，勢壘區(qū)發(fā)生的電導率調(diào)制效應加強，電阻率逐漸降低，二極管正向壓降在上升到最大值后隨著N區(qū)電導率調(diào)制的進行開始逐漸下降直到穩(wěn)定的正向壓降。

圖1：二極管正向恢復形成機理圖

 

2、影響正向恢復過程的因素

 

二極管正向恢復時間（TFR）

 

二極管的正向恢復時間是指二極管由反向截止狀態(tài)變?yōu)檎驅顟B(tài)時，二極管正向電壓不能立即成為正向導通電壓，而是有一個過渡變化時間，電壓經(jīng)10% VF越過過沖電壓VFP下降至110% VF所需時間。

正向恢復峰值電壓（VFP）

 

在TFR過渡時間內(nèi)，二極管的正向電壓由一個比較高的值逐漸下降為正向導通電壓VF,這個較高的正向電壓稱為正向恢復峰值電壓。

影響正向恢復過程的因素    

 

外部因素：正向電流、電流變化率、溫度。正向電流越大，正向恢復峰值電壓越大，二極管正向恢復時間將減少。內(nèi)部因素：P區(qū)與N區(qū)摻雜濃度、電子或空穴的遷移率、基區(qū)寬度、基區(qū)載流子壽命。

 

3、正向恢復對系統(tǒng)性能的影響

 

二極管的損耗導致溫升上升

 

圖2：二極管正向恢復形成機理圖

 

初級MOS管的電壓應力變高（反激電路）

 

由于二極管存在正向恢復特性，在反激電路中，輸出二極管由反向截止變?yōu)檎驅〞r，副邊繞組兩端會出現(xiàn)瞬時的峰值高電壓VO+VFP;因初級的VDS電壓等于輸入電壓+次級的反射電壓+漏感能量。其中次級反射電壓=匝比*（VO+VFP),所以VFP的大小會影響初級電壓應力的大小。

 

圖3：二極管反射到原邊MOS管的電壓應力

 

4、二極管反向恢復分析

 

二極管反向恢復現(xiàn)象定義

 

當原處于正向導通狀態(tài)的二極管的外加電壓突然從正向變?yōu)榉聪驎r，該二極管并不能立即關斷，而是需要經(jīng)過一段短暫的過渡時間才能重新獲得反向阻斷能力，進入截止狀態(tài)。在關斷之前，會有一個較大的反向電流出現(xiàn)，并伴隨著明顯的反向電壓過沖，這個過程即為反向恢復現(xiàn)象。

 

反向恢復原理分析

 

二極管的反向恢復原理主要涉及到電荷存儲效應、勢壘和內(nèi)建電場的作用，以及載流子的復合和漂移等過程。

 

電荷存儲效應

 

當二極管處于正向導通狀態(tài)時，P區(qū)的空穴會向N區(qū)擴散，N區(qū)的電子會向P區(qū)擴散。這種擴散過程不僅使得勢壘區(qū)（耗盡層）變窄，還導致了大量非平衡少數(shù)載流子在PN結兩側的存儲。這些存儲的電荷在二極管從正向導通狀態(tài)轉換到反向偏置狀態(tài)時，并不會立即消失，而是需要一定的時間才能逐漸復合或漂移回各自的區(qū)域，電荷存儲效應是二極管反向恢復過程存在的基礎。

 

勢壘和內(nèi)建電場

 

在二極管中，PN結的兩側存在勢壘和內(nèi)建電場。當正向電壓作用于二極管時，電子從N區(qū)向P區(qū)移動形成正向電流；而當反向電壓作用于二極管時，電子則從P區(qū)向N區(qū)移動形成反向電流。然而由于勢壘和內(nèi)建電場的存在，反向電流需要克服這些阻力才能逐漸減小并消失。

 

載流子的復合和漂移

 

在二極管從正向導通狀態(tài)轉換到反向偏置狀態(tài)時，存儲的電荷主要通過兩種途徑消失：一是載流子的復合，即電子與空穴結合形成復合中心從而減少載流子數(shù)量；二是載流子的漂移，即載流子在電場作用下沿著一定方向移動從而離開PN結區(qū)域。這種過程共同使得二極管中的反向電流逐漸減小并最終達到穩(wěn)定狀態(tài)。    

 

5、反向恢復特性

 

二極管反向恢復特性由反向恢復時間、反向恢復電流、反向恢復電壓等參數(shù)來描述。

 

反向恢復時間

 

反向恢復時間是指從正向電壓減小到零或反向電壓增加到零開始，到反向電流衰減到零所需的時間。它是衡量二極管高頻性能的一個重要參數(shù)。反向恢復時間越長，說明二極管的反向恢復特性越差，高頻性能也就越差。

 

反向恢復電流

 

反向恢復電流是指在反向恢復過程中出現(xiàn)的反向電流。它通常包括一個峰值電流和一個逐漸減小的尾流。反向恢復峰值電流的大小和正向電流的大小、二極管的類型以及工作條件等因素相關。反向恢復峰值電流的出現(xiàn)會增加電路的功耗和噪聲，在實際應用中需要盡量減小其值。

 

反向恢復電壓

 

反向恢復電壓的指在反向恢復過程中所達到的峰值電壓。它通常是由于反向恢復電流的存在而產(chǎn)生電壓過沖。反向恢復電壓的大小主要取決于二極管的材料和工藝水平等因素。反向恢復電壓過高可能會導致二極管或電路中的其它元件損壞，在實際應用中應加以限制。

 

6、影響二極管反向恢復的因素

 

材料特性

 

不同材料的二極管具有不同的電荷存儲效應和載流子遷移率等特性，從而影響其反向恢復性能。例如：碳化硅（Sic）二極管由于其優(yōu)異的材料特性而具有較短的反向恢復時間和較低的反向恢復電流，因此被廣泛在應用于高頻和高效率場合。    

 

結構設計

 

二極管的結構設計也會影響反向恢復性能，通過優(yōu)化PN結的結構和摻雜濃度等參數(shù)，可以減小電荷存儲效應并縮短反向恢復時間，采用特殊結構的二極管也可以改善高頻特性。

 

工作條件

 

二極管的工作條件（如正向電流大小、反向電壓大小、工作溫度等）也會影響其反向恢復性能。例如正向電流越大存儲電荷越多，反向恢復時間越長；而反向電壓越大則勢壘區(qū)越寬，反向電流也就越小，但反向恢復時間就越長。工作溫度的變化也會影響二極管的材料特性和載流子的遷移率等，從而影響二極管的反向恢復時間。

 

7、反向恢復對系統(tǒng)性能影響分析

 

二極管的關斷損耗

 

由于反向恢復特性的存在，使得二極管在關斷過程中會產(chǎn)生一個關斷損耗。這損耗是由于反向恢復電流在二極管中流動時產(chǎn)生的熱量而導致的。關斷損耗的大小取決于反向恢復電流的大小和持續(xù)時間等因素。在實際應用中需盡量減小關斷損耗以提高電路的效率。

圖4：二極管關斷損耗

 

加劇MOS管的開通損耗

 

二極管的反向恢復電流，會反灌到MOS，加劇MOS的開通電流，從而導致MOS、變壓器等溫升變高。    

圖5：MOS管開通損耗測試圖

 

導致電壓應力上升

 

在IRRM下降段，觀察電壓曲線會發(fā)現(xiàn)整流器件陰極上有一個較高的電壓過沖VRRM,其數(shù)值一般等于反向恢復電流的變化率與電路中雜散電感的乘積；其原理如下圖所示，由于雜散電感阻礙IRRM減小，在電流方向一端感生出一個較大的正電壓；其數(shù)值取決于雜散電感的大小與IRRM減小的速率。

 

電磁干擾（EMI）問題

 

反向恢復過程伴隨著明顯的反向電壓過沖，高電壓變化率會引發(fā)電磁干擾問題，這種電磁干擾可能會干擾電路中的其它元件或系統(tǒng)的正常工作，甚至導致電路失效。在實際應用中需要采取措施來抑制或消除這種電磁干擾。