一、二极管的最高工作频率
- 二极管的最高工作频率是由二极管的反向恢复时间决定的吗？
- 反向恢复时间真的是由结电容充放电时间决定的吗？
其实结电容和二极管的反向恢复时间是两回事
二极管的反向恢复时间
实际应用中的二极管，在电压突然反向时，二极管的电流并不是立刻减小到零的，而是会有一个比较大的反向电流，这个反向电流从最大值降低到最大值的0.1或0.2倍所需要的时间就叫反向恢复时间。
二极管反向恢复时间是由结电容充放电时间决定的吗？
我们选择了四种二极管：
- 肖特基二极管（B1100-13F）
- 超快恢复二极管（US1B-13F）
- 快恢复二极管（RS1B-13F）
- 普通二极管（S1B-13F）
为了保证严谨性，四个二极管的生产厂家、最大反向耐压值、封装、最大工作电流都相同
我们知道，肖特基二极管的反向恢复时间虽然没有标注，但是一定是最小的。
- 肖特基二极管的结电容最大，是80pF（如果反向恢复时间是结电容的充放电，那肖特基二极管的结电容应该是最小的，所以前面说结电容充放电时间决定反向恢复时间是错的）
- 比较其他三种二极管，超快恢复二极管的速度是最快的，但是结电容确实最大的。所以结电容充放电时间决定反向恢复时间这个结论是不对的。
关于结电容充放电时间不决定反向恢复时间这个结论，我们还可以通过计算验证，我们以RS1B13F为例。
计算出的结电容充电时间是1.5ns，比规格书标注的反向恢复时间150ns小得多
所以，到底是什么决定了二极管的最高工作频率？
- 肖特基二极管是由结电容决定（因为它的工作原理不同，它是属于金属和半导体的连接，理论上是不存在反向恢复时间的，因此，肖特基二极管的最高工作频率由它的结电容决定，电容越小，工作频率越高）
- 由PN结构成的二极管是由反向恢复时间决定（它的结电容对频率的影响远小于反向恢复时间的影响）
对比四种二极管的最高工作频率
肖特基>超快恢复二极管>快恢复二极管>普通二极管
二、PN结二极管的结电容和反向恢复时间
结电容
结电容包含两个部分，势垒电容和扩散电容。
势垒电容
- P型半导体空穴多，N型半导体电子多
- 把他们放在一起，N区会失去电子带正电，P区会得到电子带负电，形成了内建电场区
现在给PN结加上稳定不变的电压，那么内建电场区的厚度就是一定的
- 如果这个稳定的电压出现波动，电压向反偏的方向增大ΔU，那么内建电场的厚度会向反偏电场的方向增加Δd，Δd里面有电荷量ΔQ，ΔQ就是电压新增而增加的电荷量，这其实和电容原理一样
- 因为这里面的电荷量是内建电场区的电荷量，内建电场区也叫势垒区，所以这个电容叫势垒电容
- 势垒电容的大小公式如下：
可以看到势垒电容的大小和势垒宽度有关，而势垒宽度受电压U的影响，所以不同电压下，势垒电容也是不相同的
翻开某二极管的规格书，可以看到结电容参数会指定测试电压，通常这个电压是反偏4V
扩散电容
- 当PN结加上正向电压，内部电场被削弱，因为浓度的差异，P区空穴向N区扩散，N区的电子向P区扩散，这样会形成较大的正向电流
- 扩散的电子和空穴在内建电场区域会相遇，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域，空穴进入N区，电子进入P区
- 当电流增大后，单位时间内涌入N区的空穴会增多，最终稳定后，N区中存储的空穴也会增加ΔQ，同理，P区中存储的电子也增大ΔQ
- 因为是由电子和空穴扩散产生的，所以也叫扩散电容
- 扩散电容的大小如下：
 - 所以，扩散电容的大小与电流差不多是正比的关系
- 电荷量指的是P区中的电子和N区中的空穴，他们都是各自的少子，所以扩散电容就是少数载流子的积累效应
小结
**1. PN结正偏：结电容以扩散电容为主，势垒电容可以忽略
- PN结反偏：结电容以势垒电容为主，扩散电容可以忽略**
反向恢复时间Trr
反向恢复时间的定义在本文第一章已经有过论述，这里不再赘述。但是，反向恢复时间到底是怎么来的呢？
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t < 0时，二极管通正向电源，此时PN结处充斥了很多载流子，也就是存储了很多的电荷 -
此时PN结相当于良导体，如果电源迅速反向，电流也是可以迅速反向的
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t = 0时，二极管接反向电源，此时PN结正偏的特性不会马上改变（PN结反偏时，内建电场区是基本没有电荷的，但此时内建电场区还有很多电荷没有消耗掉，也可以理解为结电容导致电压不能突变，电荷没有放完） -
因为此时PN结上有大量电荷，可以看作是良导体，所以电压反偏，电流就反偏 -
但是需要注意：此时电流的形成原因是少数载流子反向运动的结果，随着时间推移，少数载流子的数量是越来越少的
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t = ts时，PN结中心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区的载流子已经不能反向运动了，因为中间断了，但是P区和N区还有剩余的载流子存在，并不为零 -
但是整体电流不会立刻变为0，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，最终还是会复合消失，这个复合会产生电流
有时会看到这种图，二极管反向电压是尖峰
这是因为电路模型不同
当电阻非常小的时候，反向电流会非常大，这时电路中的电感就不能忽略了
小结
- 反向电压越小，Trr越大
- 反向电流越大，Trr越大
- 复合效率越低，Trr越大
三、肖特基二极管
肖特基二极管的实际应用非常多，而且肖特基二极管和普通二极管的特性还是有较大差别的
肖特基二极管的组成
肖特基二极管是由金属和N型半导体组成，形成了肖特基结，它的载流子只有一种，那就是电子。
金属功函数和半导体电子亲合能是理解肖特基二极管的基础。
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金属功函数它是指电子要想从金属表面溢出，所必须提供的最小能量。单位是电子伏特（eV），是能量单位。 -
不同金属的金属功函数是不一样的 -
半导体亲合能就是电子溢出半导体表面所需要的最小能量
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相对于金属，半导体更容易失去电子 -
所以在把半导体硅和金属放在一起的时候，在接触的位置，因为得失电子能力的不平衡，半导体硅会失去电子，而金属会得到电子
当我们加正向电压时
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电子会从半导体流向金属，因为势垒降低了，只要正向电压一直存在，势垒就一直处于削弱状态，电子就会一直流
当我们加反向电压时
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势垒变宽，也就是电子还是不能穿过势垒，反向截至了
总结
金属与半导体接触会产生肖特基结，肖特基结会有整流特性，也就是二级特性
小疑问
既然金属和半导体接触会形成二极管，那么实际的半导体器件，里面有半导体的部分，它的管脚引线都是金属，为什么这不是二级管？
这是因为金属与半导体接触，可以形成两种接触方式：
- 肖特基接触
- 欧姆接触（没有整流特性，相当于一个小电阻）
两种接触的区别：形成的空间电荷区的厚度不一样。如果半导体的掺杂浓度很高，那么空间电荷区的厚度就会非常窄，电子就可以借助量子效应或者隧道效应，穿过这个薄薄的势垒，从而形成低阻值的欧姆接触。
本文为学习课程“硬件工程师练成之路”的笔记
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