01、正向恢復(fù)過程分析外加正向電壓時(shí)，P區(qū)空穴向N區(qū)擴(kuò)散，N區(qū)電子向P區(qū)擴(kuò)散，勢(shì)壘區(qū)（耗盡區(qū)）變窄，在P區(qū)內(nèi)存儲(chǔ)了電子，而在N區(qū)內(nèi)存儲(chǔ)了空穴，它們都是非平衡少數(shù)載流子。空穴由P區(qū)擴(kuò)散到N區(qū)后，一方面繼續(xù)擴(kuò)散，一方面與電子復(fù)合消失，這樣就會(huì)有一定的空穴分布濃度分布，靠近結(jié)邊緣的濃度最大，離結(jié)越遠(yuǎn)濃度越小。導(dǎo)通初期，由于勢(shì)壘區(qū)電阻還未發(fā)生調(diào)制，載流子還來不及變化，導(dǎo)致勢(shì)壘區(qū)電阻高，形成較高的VFP,并隨外加電流的增大而增大，隨著空穴濃度的增加，勢(shì)壘區(qū)發(fā)生的電導(dǎo)率調(diào)制效應(yīng)加強(qiáng)，電阻率逐漸降低，二極管正向壓降在上升到最大值后隨著N區(qū)電導(dǎo)率調(diào)制的進(jìn)行開始逐漸下降直到穩(wěn)定的正向壓降。
圖1：二極管正向恢復(fù)形成機(jī)理圖
02、影響正向恢復(fù)過程的因素
- 二極管正向恢復(fù)時(shí)間（TFR）
二極管的正向恢復(fù)時(shí)間是指二極管由反向截止?fàn)顟B(tài)變?yōu)檎驅(qū)顟B(tài)時(shí)，二極管正向電壓不能立即成為正向?qū)妷海怯幸粋€(gè)過渡變化時(shí)間，電壓經(jīng)10% VF越過過沖電壓VFP下降至110% VF所需時(shí)間。
- 正向恢復(fù)峰值電壓（VFP）
在TFR過渡時(shí)間內(nèi)，二極管的正向電壓由一個(gè)比較高的值逐漸下降為正向?qū)妷篤F,這個(gè)較高的正向電壓稱為正向恢復(fù)峰值電壓。
- 影響正向恢復(fù)過程的因素
外部因素：正向電流、電流變化率、溫度。正向電流越大，正向恢復(fù)峰值電壓越大，二極管正向恢復(fù)時(shí)間將減少。內(nèi)部因素：P區(qū)與N區(qū)摻雜濃度、電子或空穴的遷移率、基區(qū)寬度、基區(qū)載流子壽命。
03、正向恢復(fù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響
- 二極管的損耗導(dǎo)致溫升上升
圖2：二極管正向恢復(fù)形成機(jī)理圖
- 初級(jí)MOS管的電壓應(yīng)力變高（反激電路）
由于二極管存在正向恢復(fù)特性，在反激電路中，輸出二極管由反向截止變?yōu)檎驅(qū)〞r(shí)，副邊繞組兩端會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)的峰值高電壓VO+VFP;因初級(jí)的VDS電壓等于輸入電壓+次級(jí)的反射電壓+漏感能量。其中次級(jí)反射電壓=匝比*（VO+VFP),所以VFP的大小會(huì)影響初級(jí)電壓應(yīng)力的大小。
圖3：二極管反射到原邊MOS管的電壓應(yīng)力
04、二極管反向恢復(fù)分析
二極管反向恢復(fù)現(xiàn)象定義
當(dāng)原處于正向?qū)顟B(tài)的二極管的外加電壓突然從正向變?yōu)榉聪驎r(shí)，該二極管并不能立即關(guān)斷，而是需要經(jīng)過一段短暫的過渡時(shí)間才能重新獲得反向阻斷能力，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。在關(guān)斷之前，會(huì)有一個(gè)較大的反向電流出現(xiàn)，并伴隨著明顯的反向電壓過沖，這個(gè)過程即為反向恢復(fù)現(xiàn)象。
反向恢復(fù)原理分析
二極管的反向恢復(fù)原理主要涉及到電荷存儲(chǔ)效應(yīng)、勢(shì)壘和內(nèi)建電場(chǎng)的作用，以及載流子的復(fù)合和漂移等過程。
- 電荷存儲(chǔ)效應(yīng)
當(dāng)二極管處于正向?qū)顟B(tài)時(shí)，P區(qū)的空穴會(huì)向N區(qū)擴(kuò)散，N區(qū)的電子會(huì)向P區(qū)擴(kuò)散。這種擴(kuò)散過程不僅使得勢(shì)壘區(qū)（耗盡層）變窄，還導(dǎo)致了大量非平衡少數(shù)載流子在PN結(jié)兩側(cè)的存儲(chǔ)。這些存儲(chǔ)的電荷在二極管從正向?qū)顟B(tài)轉(zhuǎn)換到反向偏置狀態(tài)時(shí)，并不會(huì)立即消失，而是需要一定的時(shí)間才能逐漸復(fù)合或漂移回各自的區(qū)域，電荷存儲(chǔ)效應(yīng)是二極管反向恢復(fù)過程存在的基礎(chǔ)。
- 勢(shì)壘和內(nèi)建電場(chǎng)
在二極管中，PN結(jié)的兩側(cè)存在勢(shì)壘和內(nèi)建電場(chǎng)。當(dāng)正向電壓作用于二極管時(shí)，電子從N區(qū)向P區(qū)移動(dòng)形成正向電流；而當(dāng)反向電壓作用于二極管時(shí)，電子則從P區(qū)向N區(qū)移動(dòng)形成反向電流。然而由于勢(shì)壘和內(nèi)建電場(chǎng)的存在，反向電流需要克服這些阻力才能逐漸減小并消失。
- 載流子的復(fù)合和漂移
在二極管從正向?qū)顟B(tài)轉(zhuǎn)換到反向偏置狀態(tài)時(shí)，存儲(chǔ)的電荷主要通過兩種途徑消失：一是載流子的復(fù)合，即電子與空穴結(jié)合形成復(fù)合中心從而減少載流子數(shù)量；二是載流子的漂移，即載流子在電場(chǎng)作用下沿著一定方向移動(dòng)從而離開PN結(jié)區(qū)域。這種過程共同使得二極管中的反向電流逐漸減小并最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。
05、反向恢復(fù)特性
二極管反向恢復(fù)特性由反向恢復(fù)時(shí)間、反向恢復(fù)電流、反向恢復(fù)電壓等參數(shù)來描述。
- 反向恢復(fù)時(shí)間
反向恢復(fù)時(shí)間是指從正向電壓減小到零或反向電壓增加到零開始，到反向電流衰減到零所需的時(shí)間。它是衡量二極管高頻性能的一個(gè)重要參數(shù)。反向恢復(fù)時(shí)間越長(zhǎng)，說明二極管的反向恢復(fù)特性越差，高頻性能也就越差。
- 反向恢復(fù)電流
反向恢復(fù)電流是指在反向恢復(fù)過程中出現(xiàn)的反向電流。它通常包括一個(gè)峰值電流和一個(gè)逐漸減小的尾流。反向恢復(fù)峰值電流的大小和正向電流的大小、二極管的類型以及工作條件等因素相關(guān)。反向恢復(fù)峰值電流的出現(xiàn)會(huì)增加電路的功耗和噪聲，在實(shí)際應(yīng)用中需要盡量減小其值。
- 反向恢復(fù)電壓
反向恢復(fù)電壓的指在反向恢復(fù)過程中所達(dá)到的峰值電壓。它通常是由于反向恢復(fù)電流的存在而產(chǎn)生電壓過沖。反向恢復(fù)電壓的大小主要取決于二極管的材料和工藝水平等因素。反向恢復(fù)電壓過高可能會(huì)導(dǎo)致二極管或電路中的其它元件損壞，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)加以限制。
06、影響二極管反向恢復(fù)的因素
- 材料特性
不同材料的二極管具有不同的電荷存儲(chǔ)效應(yīng)和載流子遷移率等特性，從而影響其反向恢復(fù)性能。例如：碳化硅（Sic）二極管由于其優(yōu)異的材料特性而具有較短的反向恢復(fù)時(shí)間和較低的反向恢復(fù)電流，因此被廣泛在應(yīng)用于高頻和高效率場(chǎng)合。
- 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
二極管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也會(huì)影響反向恢復(fù)性能，通過優(yōu)化PN結(jié)的結(jié)構(gòu)和摻雜濃度等參數(shù)，可以減小電荷存儲(chǔ)效應(yīng)并縮短反向恢復(fù)時(shí)間，采用特殊結(jié)構(gòu)的二極管也可以改善高頻特性。
- 工作條件
二極管的工作條件（如正向電流大小、反向電壓大小、工作溫度等）也會(huì)影響其反向恢復(fù)性能。例如正向電流越大存儲(chǔ)電荷越多，反向恢復(fù)時(shí)間越長(zhǎng)；而反向電壓越大則勢(shì)壘區(qū)越寬，反向電流也就越小，但反向恢復(fù)時(shí)間就越長(zhǎng)。工作溫度的變化也會(huì)影響二極管的材料特性和載流子的遷移率等，從而影響二極管的反向恢復(fù)時(shí)間。
07、反向恢復(fù)對(duì)系統(tǒng)性能影響分析
- 二極管的關(guān)斷損耗
由于反向恢復(fù)特性的存在，使得二極管在關(guān)斷過程中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)關(guān)斷損耗。這損耗是由于反向恢復(fù)電流在二極管中流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的熱量而導(dǎo)致的。關(guān)斷損耗的大小取決于反向恢復(fù)電流的大小和持續(xù)時(shí)間等因素。在實(shí)際應(yīng)用中需盡量減小關(guān)斷損耗以提高電路的效率。
圖4：二極管關(guān)斷損耗
- 加劇MOS管的開通損耗
二極管的反向恢復(fù)電流，會(huì)反灌到MOS，加劇MOS的開通電流，從而導(dǎo)致MOS、變壓器等溫升變高。
圖5：MOS管開通損耗測(cè)試圖
- 導(dǎo)致電壓應(yīng)力上升
在IRRM下降段，觀察電壓曲線會(huì)發(fā)現(xiàn)整流器件陰極上有一個(gè)較高的電壓過沖VRRM,其數(shù)值一般等于反向恢復(fù)電流的變化率與電路中雜散電感的乘積；其原理如下圖所示，由于雜散電感阻礙IRRM減小，在電流方向一端感生出一個(gè)較大的正電壓；其數(shù)值取決于雜散電感的大小與IRRM減小的速率。電磁干擾（EMI）問題反向恢復(fù)過程伴隨著明顯的反向電壓過沖，高電壓變化率會(huì)引發(fā)電磁干擾問題，這種電磁干擾可能會(huì)干擾電路中的其它元件或系統(tǒng)的正常工作，甚至導(dǎo)致電路失效。在實(shí)際應(yīng)用中需要采取措施來抑制或消除這種電磁干擾。