二极管储存电荷为何一直容易被忽视

二极管的储存电荷一直被视为「敌人」，但有时候如果我们想利用它，也是可以「化敌为友」...

各类型二极管都会有一种称为「储存电荷」(storage charge)的特性，其效应是当二极管在正向传导模式(forward conduction mode)乘载电流时，会让电流发生并非立即出现的停止流动情况，其中各种关断状态值得探究。

储存电荷带来的基本效应，是二极管接面上出现反向电压时并不会立即关断，电流会在一段有限的时间内继续从相反方向流经接面。为了让说明更清楚，让我们以一个半波整流电路(half-wave rectifier circuit)做为实例：在第一种情况下，我们有一个如你所想象零储存电荷的理想二极管，完全没有反向电流，从下图可见到它的理想波形。

理想的二极管半波整流

到目前为止看来都很好…那么如果二极管里出现储存电荷会发生什么事？

缓慢恢复的二极管半波整流

在上图的例子中，当输入正弦波跨越零伏特时，二极管关断并未立即发生，而是有一段短暂但明显的反向传导时间；此外，输出波形到零的过程(steps-to-zero)非常快速，因此在激发频率的谐波是产生EMI的「沃土」，这可能非常难以控制与抑制。

而如果我们暂时不谈全波整流器，还是可以看到那些反向二极管电流脉冲，那些脉冲也可能导致在激发源周遭发生脉冲性短路，如下图。

瞬间短路

线路频率、短路电流脉冲真的会产生某种程度的严重EMI与涟波(ripple)问题；举例来说，粗估一个速度相当缓慢的二极管1N4007，其标称恢复时间为30μSec，如下图。

缓慢的二极管恢复时间

如果激发频率是60GHz，半周期是1/120秒或是8.3333 mSec，反向电流传导角度会是180°乘以30μSec，再除以8.3333 mSec，结果为0.648°。如果施加120V RMS的激发能阶，以及0.648°的激发电压：120×sqrt (2)×sin (0.648°) = 1.92V，这样的结果足以驱动我们不想要的短路脉冲电流，如同上面「瞬间短路」那张图中显示的红色箭头。

在这类应用中你会被告知需要使用快速恢复二极管，尽管其线路频率很低；因为那些脉冲事件会在每一个AC输入周期发生两次，是相当严重的问题。透过采用快速恢复二极管，情况会像是下图所显示，那些不受欢迎的脉冲效应会弱得多。

快速恢复二极管半波整流

到目前为止，储存电荷一直被视为「敌人」，但有时候如果我们想利用它，也是可以「化敌为友」；如果我们将激发频率从60Hz或400Hz的电源线数字提高到HF/VHF/UHF等调频，并采用名为跃阶恢复二极管(step recovery diode)的组件，我们就能得到如下图的整流情况：

跃阶恢复二极管半波整流

在这里可以看到，二极管的储存电荷在一个故意拉长的激励波形周期部份中维持反向电流，达到理想的270°；就像是我们之前观察到的缓慢恢复二极管会产生不需要的激发频率谐波，跃阶恢复二极管会产生我们需要的激发频率谐波，让我们能制作如下图的倍频电路(frequency multiplier)。

跃阶恢复二极管倍频电路

想象100MHz的输入会取得300MHz的输出，非常漂亮！

而接下来我们看另外一种组件，高频二极管(PIN二极管)；这种组件在激发频率够高时，储存电荷永远不会故意耗尽；我们可以利用PIN二极管动态阻抗会随着电流乘载水平之函数而变化的特性，该特性把PIN二极管当作可变RF/微波讯号衰减组件(RF/microwave signal attenuator element)来运用，如下图。

PIN二极管讯号衰减组件



让电子设计轻松入门，张飞带你5周从入门到精通硬件电路设计！

>> 点击了解课程