乾貨 | 一文搞懂二極體的電容效應、等效電路及開關特性

一、二極體的電容效應

二極體具有電容效應。它的電容包括勢壘電容CB和擴散電容CD。

1.勢壘電容CB(Cr)

前面已經講過，PN接面內缺少導電的載流子，其電導率很低，相當於介質；而PN接面兩側的P區、N區的電導率高，相當於金屬導體。從這一結構來看，PN接面等效於一個電容器。事實上，當PN接面兩端加正向電壓時，PN接面變窄，結中空間電荷量減少，相當於電容“放電”，當PN接面兩端加反向電壓時，PN接面變寬，結中空間電荷量增多，相當於電容“充電”。這種現象可以用一個電容來模擬，稱為勢壘電容。勢壘電容與普通電容不同之處，在於它的電容量並非常數，而是與外加電壓有關。當外加反向電壓增大時，勢壘電容減小；反向電壓減小時，勢壘電容增大。目前廣泛應用的變容二極體，就是利用PN接面電容隨外加電壓變化的特性製成的。

2.擴散電容CD

PN接面正向偏置時，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佈，即靠近PN接面一側濃度高，遠離PN接面的一側濃度低。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，擴散增強，這時由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，致使在兩個區域內形成了電荷堆積，相當於電容器的充電。相反，當正向電壓減小時，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，造成兩個區域內電荷的減少，、這相當於電容器放電。因此，可以用一個電容來模擬，稱為擴散電容。總之，二極體呈現出兩種電容，它的總電容Cj相當於兩者的並聯，即Cj=CB + CD。二極體正向偏置時，擴散電容遠大於勢壘電容 Cj≈CD ；而反向偏置時，擴散電容可以忽略，勢壘電容起主要作用，Cj≈CB 。

二、二極體的等效電路

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二極體是一個非線性器件，對於非線性電路的分析與計算是比較複雜的。為了使電路的分析簡化，可以用線性元件組成的電路來模擬二極體。使線性電路的電壓、電路關係和二極體外特性近似一致，那麼這個線性電路就稱為二極體的等效電路。顯然等效電路是在一定條件下的近似。二極體應用於直流電路時，常用一個理想二極體模型來等效，可把它看成一個理想開關。正偏時，相當於“開關”閉合（ON），電阻為零，壓降為零；反偏時，相當於“開關”斷開（OFF），電阻為無限大，電流為零。由於理想二極體模型突出表現了二極體最基本的特性——單向導電性，所以廣泛應用於直流電路及開關電路中。在直流電路中如果考慮到二極體的電阻和門限電壓的影響。實際二極體可用圖Z0112所示的電路來等效。在二極體兩端加直流偏置電壓和工作在交流小訊號的條件下，可以用簡化的電路來等效。圖中rs為二極體P區和N區的體電阻。

三、二極體的開關特性

二極體正偏時導通，相當於開關的接通；反偏時截止相當於開關的斷開，表明二極體具有開關特性。不過一個理想的開關，在接通時開關本身電阻為零，壓降為零，而斷開時電阻為無窮大，電流為零，而且要求在高速開關時仍具有以上特性，不需要開關時間。但實際二極體作為開關運用，並不是太理想的。因為二極體正向導通時，其正向電阻和正向降壓均不為零；反向戳止時，其反向電阻也不是無窮大，反向電流也不為零。並且二極體開、關狀態的轉換需要一定時間。這就限制了它的開關速度。因此作開關時，應選用正向電阻RF小、反向電阻RR大、開關時間小的開關二極體。

續流二極體的作用如下：快恢復二極體主要用作續流二極體，與快速開關三極體並聯後面帶感性負載，如Buck，Boost變換器的電感、變壓器和電機，這些電路大部分是用恆脈脈寬調製控制，感性負載決定了流過續流二極體的電流是連續的，三極體開通時，續流支路要截止以防短路，下面例子給出了三極體與續流二極體的相互作用。

圖1是簡化的Buck電路。其輸出電壓Vout低於輸入電壓Vin。圖2是T1的控制訊號和T1，D1的電壓、電流波形。有源器件T1，D1的開通關斷相位如下：

T0時刻T1有開通訊號。輸入電壓Vin加在L，Cout的串聯支路，使iL線性增加。電感L和Vout決定電流，過一段時間後控制器使T1關斷，在斷續工作時，電感L儲能（W=0。5LiL2）透過續流支路傳送到Cout。在t2時刻T1再次開通，整個過程重複。

二極體的開關過程可分為四部分：

A。T1導通時二極體阻斷；

B。阻斷到導通時間；開通；

C。T1關斷，二極體導通；

D。導通到關斷瞬間；關斷。

A。阻斷MOFET導通時，二極體兩端的反壓是Vin。與所有的半導體一樣，二極體的陽極到陰極有一個小電流（耐電流IR），漏電流由阻斷電壓，二極體晶片工作溫度和二極體製作技術決定。反向電壓導致的總功率損耗是：PSP=VIN·IR

B。開通三極體T1關斷瞬間，電感電流iL保持不變。二極體兩端電壓逐漸減小，電流逐漸上升。D1的電流上升時間等於T1的電流下降時間。關斷時在pn結儲存的大量電荷被載流子帶走，使得電流上升時pn結的電阻減小，二極體開通時有電壓尖峰，由晶片溫度、-diF/dt和晶片工藝決定。

正向電壓尖峰與反向電壓相比很小（

電壓尖峰VFR決定了二極體的開通捌耗。這些損耗隨開關頻率線性增加。

C。通態二極體導通正向電流lF，pn結的門限電壓和半導體的電阻決定正向壓降VF。這個電壓由晶片溫度、正向電流IF和製造工藝決定。利用資料手冊中的VTO和rT可以計算正向壓降和通態損耗。

圖3所示正向壓降的簡化模型是：VF=rT·IF+VTO

相應的通態損耗是：

計算出來的損耗只是近似值，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。關斷與通態特性不同，高頻應用時二極體的選擇是否合適主要取決於關斷特性的引數，三極體開通時，電流IF的變化率等於三極體電流上升率di/dt。如果使用MOSFET或IGBT，其-diF/dt很容易超過1000A/μs。前面提到，二極體恢復阻斷能力前必須去除通態時儲存在pn結的載流子。這就會產生反向恢復電流，其波形取決於晶片溫度、正向電流IF，-diF/dt和製造工藝。

圖4是正向特性相同的金摻雜和鉑摻雜外延型二極體不同溫度下的反向恢復電流。