到底是什么决定了二极管的最高工作频率?

硬件工程师,应该都用过二极管的吧,不过也许有一个误区,大多数人可能并不知道,或者说是理解有问题,下面就来细细说下。

一个问题

先提一个问题:到底是什么决定了二极管的最高工作频率?

估计有不少人会回答是二极管反向恢复时间Trr,也有人会说是二极管结电容,那到底谁是对的呢?或者说都一样反向恢复时间由结电容决定?

到底什么决定了二极管的最高工作频率,我们暂且不论,不过需要知道的是,二极管的反向恢复时间和结电容根本就是两回事反向恢复时间绝不能等同于结电容的充放电时间

为什么我这么说呢?先来看下面事实

简易基础

为了照顾下成绩不好的同学,我先简单说下什么是结电容,什么是二极管的反向恢复时间,已经知道的同学可以跳到后面去。

结电容

二极管会存在寄生电容,这个电容主要就是结电容,这是简单的二极管模型。

反向恢复时间

实际应用中的二极管,在电压突然反向时,二极管电流并不是很快减小到0,而是会有比较大的反向电流存在,这个反向电流降低到最大值的0.1倍所需的时间,就是反向恢复时间。

这两个参数先这么介绍吧,比较粗糙,真要说清楚都是怎么来的,这几行字是远远不够的。

我们继续本文重点,为什么说反向恢复时间绝不能等同于结电容的充放电时间。

事实情况

一般厂家的二极管会给出结电容和反向恢复时间Trr的参数,我们现在来对比一下4种不同类型的二极管参数。

分别为肖特基二极管,超快恢复二极管,快恢复二极管,普通二极管。

为了让结果更有说服力,我们保证4种二极管的生产厂家,耐压,封装,最大工作电流一致。这里选择厂家为DIODE美台半导体(随便选的,它们家的规格书好找),最大反向耐压都为100V,封装都是SMA,最大工作电流为1A。

型号分别是:

肖特基二极管:B1100-13-F

超快恢复二极管:US1B-13-F

快恢复二极管:RS1B-13-F

普通二极管:S1B-13-F

这几个二极管的规格书都很容易找到,我也放到了网盘,可以在我的微信公众号后台回复“器件”,就可以下载了

这几个二极管参数截图如下

我整理了一下,参数如下表:

对的,你没看错,肖特基二极管结电容是这里面最大的。肖特基二极管的工作频率不是最高的吗?怎么结电容反而是最大的?

虽然规格书手册中,没有列出来肖特基二极管的反向恢复时间,但是我们应该都知道,它的反向恢复时间是最小的。

严格来说,肖特基二极管本身的工作原理与PN结二极管是不一样的,它是不存在反向恢复时间的。只是毕竟有寄生电容的存在,所以工作频率也有一个上限。具体肖特基二极管的工作原理后面可以找机会说说。

我们知道,这几种二极管的最高工作频率顺序是下面这样的

而现在我们知道,它们的结电容,肖特基是最大的,为80pF。其它三个二极管差不多,为10pF-20pF,但是反向恢复时间相互之间差了一个数量级。

另外,我们假设反向恢复时间就是结电容的充电时间,我们可以计算下充满结电容需要的时间是多长。

以快恢复二极管RS1B-13F为例,其结电容是15pF,反向恢复电流如下图(规格书中提取的)。平均反向电流大概是0.5A,那么将15pF从0V充到-50V的时间很容易计算出来,是1.5ns,这比实际的反向恢复时间150ns短很多。

所以可以肯定的是,反向恢复时间的长短,不是由PN结电容决定的。

问题答案

那回到最初的问题,二极管的最高工作频率由什么参数决定呢?

其实很容易想到:

1、如果结电容太大,工作频率高不了。因为频率越高,电容的阻抗越低,信号都从电容直接过去了,二极管失去了反向截止的作用。

2、如果反向恢复时间太大,工作频率也高不了。因为频率越高,电压翻转越快,反偏之后反向电流还没恢复,电压又变了,二极管也失去了反向截止的作用。

所以,总的来说,结电容和反向恢复时间,都会影响二极管的最高工作频率。具体由谁决定,那看谁的影响更大

肖特基二极管的反向恢复时间很短,所以其工作频率由结电容决定。

PN结二极管,其反向恢复时间的影响远大于结电容的影响,结电容一般也就几十pF,因此其最高工作频率由反向恢复时间决定。

而与此同时,我们知道,肖特基二极管与PN结二极管相比,肖特基速度是最快的,可以工作在更高的频率。

结尾

文章说明了一个事实,反向恢复时间并不是结电容的充放电时间

其实还有新的问题:

1、比如结电容是怎么来的呢?

既然有结电容存在,按照前面的二极管模型,那电压是不能突变的,可是我们在定义反向恢复时间的时候,前提就是电压突变,这这这,什么鬼?

2、二极管有反向恢复时间到底又是怎么回事呢?为什么会存在?

这两个问题搞清楚并不容易,短短几句话概括肯定是说不清楚的,我下期专门解释这两个问题,敬请期待。。。

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