干货 | 二极管的电容效应及开关特性

一、二极管的电容效应

二极管具有电容效应。它的电容包括势垒电容CB和扩散电容CD。

1. 势垒电容CB(Cr)

在 PN 结的内部结构中，PN结空间内缺少导电的载流子，其电导率很低，因此相当于介质。

而PN结两侧的P区和N区，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。

由于N 区和 P区积累了电子和空穴，其导电率很高，相当于金属导体。从这一结构来看，PN结等效于一个两个极板的电容器。

当PN结两端加正向电压时，PN 结导通，促进了电流的形成，PN结区域变窄，结中空间电荷量减少，相当于电容”放电”。

当PN结两端加反向电压时， PN 结截止，PN结变宽，结中空间电荷量增多，相当于电容”充电”。

这种现象可以用一个电容来模拟，我们称之为势垒电容。

这个势垒电容的大小可以理论的计算一下：

当外加电压有△U 的变化时，电荷有△Q 的变化，假设两边的距离为 Xd 时。势垒电容为：

利用势垒电容和电压的关系设计变容二极管

势垒电容与普通电容不同之处，在于它的电容量并非常数，而是与外加电压有关。当外加反向电压增大时，势垒电容减小；反向电压减小时，势垒电容增大，如下图的特性曲线。

目前广泛应用的变容二极管，就是利用PN结电容随外加电压变化的特性制成的。

2. 扩散电容CD

当给二极管加正向偏压时，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。

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。

因此，这里得扩散电容是和加在二极管两端的正向偏置电压有关系的。

当我们打开二极管的 Datasheet 时，看到的典型电容参数一般会指定测试条件，通常这个条件是1MHz，电压为-4V（反偏）。

这是因为势垒宽度，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。因此这个参数需要在确定的偏置电压下进行测量。

因此，我们把二极管的物理模型进行简化，通过一些线性器件进行表达，简化后的等效电路如下图。

总之，二极管呈现出两种电容，它的总电容Cj相当于两者的并联，即Cj=CB + CD。

二极管正向偏置时，扩散电容远大于势垒电容 Cj≈CD ；

而反向偏置时，扩散电容可以忽略，势垒电容起主要作用，Cj≈CB 。

---

二、二极管的开关特性

二极管正偏时导通，相当于开关的接通；反偏时截止相当于开关的断开，表明二极管具有开关特性。

不过一个理想的开关，在接通时开关本身电阻为零，压降为零，而断开时电阻为无穷大，电流为零，而且要求在高速开关时仍具有以上特性，不需要开关时间。

但实际二极管作为开关运用，并不是太理想的。

因为二极管正向导通时，其正向电阻和正向降压均不为零；反向戳止时，其反向电阻也不是无穷大，反向电流也不为零。

并且二极管开、关状态的转换需要一定时间。这就限制了它的开关速度。

因此选用二极管作为开关时，应选用正向电阻Rf小、反向电阻Rr大、开关时间小的开关二极管。

下面，我们通过 Buck 电路中的续流二极管的开关过程来了解一下二极管开关特性。

1. 续流二极管的作用：

快恢复二极管主要用作续流二极管，与快速功率MOS 管并联后，带感性负载，如Buck，Boost变换器的电感、变压器和电机。

这些电路大部分使用脉宽调制控制方式，感性负载决定了流过续流二极管的电流是连续的，MOS 管开通时，续流支路要截止以防输入短路，下面例子给出了MOS管与续流二极管的相互作用。

上图是简化的Buck电路。其输出电压Vout低于输入电压Vin。

2. 续流二极管的开关过程

A. MOS管导通时，二极管阻断；

B. 二极管阻断到导通瞬间，即二极管从反偏到正偏;

C. MOS关断，二极管导通;

D.导通到关断瞬间;关断。

A. 图中 MOS 管 Q 导通时，二极管两端的电压是反向偏置的Vin。

与所有的半导体器件一样，二极管的阳极到阴极有一个小电流(漏电流IR)，漏电流由偏置电压，二极管PN 结工作温度和二极管工艺技术决定。反向偏置电压导致的总功率损耗是：

PSP=VIN·IR。

B. MOS 管 Q 的关断瞬间，电感电流$I_{L}$保持不变（电感中电流不能突变的特性）。二极管两端电压逐渐减小，从反向偏置电压变为正向偏置电压，电流逐渐上升。二极管的电流上升时间等于MOS 管的电流下降时间。

关断时在二极管 PN 结存储的大量电荷被载流子带走，使得电流上升时 PN 结的电阻减小，二极管正向开通时有电压尖峰，由芯片温度、-diF/dt和芯片工艺决定。

正向电压尖峰与反向电压相比很小(<50V)，应用时不影响二极管的工作。但是二极管的开通电压尖峰增加了MOS管的电压应力和关断损耗。

电压尖峰VFR决定了二极管的开关损耗。这些损耗随开关频率线性增加，开关频率的增加又可以缩小电感的尺寸。

C. 通态二极管导通产生正向电流lF，PN结的门限电压和半导体的电阻决定正向压降VF。这个电压由芯片温度、正向电流IF和制造工艺决定。

D. 关断与导通特性不同，高频应用时二极管的选择是否合适主要取决于关断特性的参数。

MOS 管开通时，二极管正向导通电流IF的变化率等于 MOS 管电流上升率di/dt。

如果使用MOSFET或IGBT，其-diF/dt很容易超过1000A/μs。前面提到，二极管恢复阻断能力前必须去除通态时存储在PN结的载流子。

这就会产生反向恢复电流，其波形取决于芯片温度、正向电流IF，-diF/dt和制造工艺。

下图是正向特性相同的金掺杂和铂掺杂外延型二极管不同温度下的反向恢复电流。

相同温度下不同制造工艺的二极管的反向恢复特性明显不同。

铂掺杂二极管反向恢复电流的减小速度很快(图(b))，可控少数载流子的金掺杂二极管的恢复特性较软(图(a))。

恢复电流减小得很快，线路中分布电感导致的电压尖峰越高。如果最大电压超过MOS 管的耐压值，就必须使用吸收电路以保障设备的安全工作。而且过高的du/dt会导致EMI/RFI问题，在RFI受限的地方要使用复杂的屏蔽。

二极管的反向恢复电流不仅会增加二极管的关断损耗。还会增加 MOS 管的开通损耗，因为它也是二极管的反向电流。图(a)和(b)表明MOS 管开通电流是电感电流加上二极管的反向恢复电流，而且开通时间受trr影响会增大。

图(a)和(b)重点说明软恢复特性时低恢复电流的好处。首先，软恢复特性的金掺杂二极管的电压尖峰较小和反向恢复电流较小。因此二极管有低关断损耗。其次，低反向恢复电流可减小 MOS 管的开通损耗。

因此，二极管的选择直接决定了两个器件的功率损耗，并且在 BUCK 电路中一般选用肖特基二极管，肖特基二极管的正向导通压降一般比较低，在 0.3V 左右。同时其反向恢复时间也很短。