【二极管篇】二极管特性丨直流、交流、电流、转换时间

在本教程中，我们将学习一些重要的二极管特性。通过研究这些二极管特性，您将对二极管的一般工作原理有更好的了解。

常用二极管特性

概述

⊙电流公式

⊙直流电阻

⊙交流电阻

⊙过度电容

⊙扩散电容

⊙存储时间

⊙转换时间

⊙恢复时间

上面给出了一些常用二极管的特性。现在，我们来简要了解一下这些二极管特性。

二极管电流方程式

众所周知，PN结二极管只能单向通过电流。流过PN结二极管的电流大小在很大程度上取决于所用材料的类型，也取决于制造PN结二极管时的掺杂浓度。

电流流动的主要原因是PN结二极管结构中多数电荷载流子的产生或重组。

多数电荷载流子电流在三个区域流动。这些区域分别是准中性P-区域、耗尽区域和准中性N-区域。准中性P-型区域是耗尽区边缘与P-侧二极管边缘之间的间隔。

准中性N型区域是耗尽区边缘与N端二极管边缘之间的距离。假设该分离距离为无穷大。当我们向二极管边界移动时，电荷载流子的浓度不会发生变化。电场不会出现在准中性区域。

二极管在正向偏压下的电流是由于多数电荷载流子的重组造成的。电荷载流子的重组发生在P型或N型准中性区、耗尽区或欧姆接触处，即金属和半导体的接触处。

反向偏压下的电流是由电荷载流子产生的。这种类型的电荷载流子产生过程会进一步增加正向和反向偏置条件下的电流。PN结二极管中的电流取决于整个PN结二极管结构中的电荷载流子密度、电场以及P型和N型的准费米级能量。载流子密度和电场用于确定PN二极管的漂移电流和扩散电流。

在获得解析解时，耗尽区内电子和空穴的准费米级能量以及N型和P型准中性区内电子和空穴的准费米级能量被假定为近似相等。

如果假定耗尽区内的费米能级不变，则耗尽区边界的少数电荷载流子密度如下：

当没有外加电压时，在上述方程下达到热平衡状态。费米级之间的间隔随着外加电压的增加而增大。外部电压乘以电子的电荷。

存在于任一准区的多余电荷载流子在到达金属-半导体接触面时会直接重组。重组过程在欧姆接触处迅速发生，并因金属的存在而进一步加剧。因此，有效的边界条件可表述如下：

考虑到N型和P型准中性区域的扩散电流方程，理想二极管的电流表达式将通过使用所考虑的扩散电流方程的边界条件来获得。

将上述方程转换为双曲函数，改写为：

这里 A、B、C和D是待定的常量值。如果将边界条件应用于上述双曲方程，那么我们将得到：

其中，N型和P型准中性区的宽度分别为：

每个准中性区域的电荷载流子电流密度根据扩散电流方程计算如下：

流过PN结二极管整个结构的电流值应始终保持恒定，因为在二极管的整个结构中不可能有电荷消失或积聚。

因此，通过二极管的总电流等于n区最大空穴电流、p区最大电子电流和耗尽区电荷载流子重组电流之和。准中性区的最大电流出现在耗尽区的两侧。

直流电阻或静态电阻

PN结二极管的静态电阻或直流电阻定义了二极管在连接直流电源时的电阻特性。如果给半导体二极管所在的电路施加外部直流电压，PN结二极管特性曲线上的Q点或工作点将不会随时间而改变。

曲线膝点及其下方的静态电阻值将远大于特性曲线垂直上升部分的电阻值。最小值是通过二极管的电流最大值是直流电阻的水平。

RDC = VDC / IDC

交流电阻或动态电阻

动态电阻源自肖克利二极管方程。它定义了二极管在连接取决于PN结二极管直流极化的交流源时的电阻性质。

如果向二极管组成的电路提供外部正弦信号，改变的输入将使瞬时Q-点从特性中的电流位置轻微偏移，因此它定义了电压和电流的明确变化。

当没有外部交流信号施加时，工作点将是Q点（或静态点），它由施加的直流信号电平决定。二极管的交流电阻会通过降低工作Q点而增加。简而言之，这相当于PN二极管的电压-电流斜率。

rd = ΔVd / ΔId

交流平均电阻

如果输入信号足以产生较大的摆动，那么在这一区域与二极管相关的电阻称为交流平均电阻。它由连接外部输入电压最小值和最大值交点的直线决定。

Ravg = ( ΔVd / ΔId ) pt to pt

过渡电容

过渡电容也可称为耗尽层电容或空间电荷电容。它主要出现在反向偏压配置中，在这种配置下，P型和N型区域的电阻较低，耗尽层可能像介质一样起作用。

这种类型的电容是由于外部电压的变化造成的，其中不动电荷在耗尽区层的边缘发生变化。它取决于介电常数和耗尽层的宽度。如果耗尽层宽度增加，过渡电容就会减小。

CT = εs / w = √{[qεs / 2(ϕi – VD)][NaNd / (Na + Nd)]}

扩散电容

扩散电容也可称为存储电容，主要出现在正向偏置配置中。它是由于电荷载流子在二极管两端（即PN结二极管正向偏置配置中的阳极到阴极）之间传输而产生的电容。

如果允许电流通过半导体器件，就会在某一时刻在器件两端产生电荷。如果施加的外部电压和电流变为不同的值，则在传输过程中会产生不同数量的电荷。

所产生的转移电荷与电压差变化的比率就是扩散电容。如果电流水平增加，扩散电容水平也会自动增加。

电流的增加将导致相关电阻和时间常数的降低，这在高速应用中非常重要。扩散电容值远远大于过渡电容值，并且与直流电流值成正比。

Cdiff = dQ/dV = [dI(V)/dV]ΓF

存储时间

PN结二极管在正向偏压配置下就像一个完美的导体，而在反向偏压配置下就像一个完美的绝缘体。在从正向偏置状态切换到反向偏置状态的过程中，电流会发生切换，并保持恒定在同一水平。电流反向转换并保持恒定的时间称为存储时间 (Ts)。

电子从P型移动回N型和空穴从N型移动回P型所需的时间就是存储时间。该值可由PN结的几何形状决定。在这段存储时间内，二极管表现为短路。

转换时间

电流保持在恒定水平后下降到反向漏电流值的时间称为过渡时间。过渡时间值由PN结的几何形状以及P型和N型材料的掺杂浓度决定。

反向恢复时间

存储时间和转换时间之和称为反向恢复时间。它是二极管将外加电流信号从反向泄漏电流提升到恒定状态值的10%所需的时间。PN结二极管的反向恢复时间值通常为微秒量级。

广泛使用的小信号二极管整流器1N4148的反向恢复时间通常为4毫微秒，而通用整流二极管的反向恢复时间则为2微秒。快速开关速度可通过高反向漏电流值和高正向压降来实现。它用Trr表示。

数据表分析

本文简要介绍了不同二极管的特性。下章将介绍不同类型二极管的基本功能和相应的电路符号。
扫码关注我们