二極管儲(chǔ)存電荷為何一直容易被忽視

二極管的儲(chǔ)存電荷一直被視為「敵人」，但有時(shí)候如果我們想利用它，也是可以「化敵為友」...

各類(lèi)型二極管都會(huì)有一種稱(chēng)為「儲(chǔ)存電荷」(storage charge)的特性，其效應(yīng)是當(dāng)二極管在正向傳導(dǎo)模式(forward conduction mode)乘載電流時(shí)，會(huì)讓電流發(fā)生并非立即出現(xiàn)的停止流動(dòng)情況，其中各種關(guān)斷狀態(tài)值得探究。

儲(chǔ)存電荷帶來(lái)的基本效應(yīng)，是二極管接面上出現(xiàn)反向電壓時(shí)并不會(huì)立即關(guān)斷，電流會(huì)在一段有限的時(shí)間內(nèi)繼續(xù)從相反方向流經(jīng)接面。為了讓說(shuō)明更清楚，讓我們以一個(gè)半波整流電路(half-wave rectifier circuit)做為實(shí)例：在第一種情況下，我們有一個(gè)如你所想象零儲(chǔ)存電荷的理想二極管，完全沒(méi)有反向電流，從下圖可見(jiàn)到它的理想波形。

理想的二極管半波整流

到目前為止看來(lái)都很好…那么如果二極管里出現(xiàn)儲(chǔ)存電荷會(huì)發(fā)生什么事？

緩慢恢復(fù)的二極管半波整流

在上圖的例子中，當(dāng)輸入正弦波跨越零伏特時(shí)，二極管關(guān)斷并未立即發(fā)生，而是有一段短暫但明顯的反向傳導(dǎo)時(shí)間；此外，輸出波形到零的過(guò)程(steps-to-zero)非?？焖?，因此在激發(fā)頻率的諧波是產(chǎn)生EMI的「沃土」，這可能非常難以控制與抑制。

而如果我們暫時(shí)不談全波整流器，還是可以看到那些反向二極管電流脈沖，那些脈沖也可能導(dǎo)致在激發(fā)源周遭發(fā)生脈沖性短路，如下圖。

瞬間短路

線(xiàn)路頻率、短路電流脈沖真的會(huì)產(chǎn)生某種程度的嚴(yán)重EMI與漣波(ripple)問(wèn)題；舉例來(lái)說(shuō)，粗估一個(gè)速度相當(dāng)緩慢的二極管1N4007，其標(biāo)稱(chēng)恢復(fù)時(shí)間為30μSec，如下圖。

緩慢的二極管恢復(fù)時(shí)間

如果激發(fā)頻率是60GHz，半周期是1/120秒或是8.3333 mSec，反向電流傳導(dǎo)角度會(huì)是180°乘以30μSec，再除以8.3333 mSec，結(jié)果為0.648°。如果施加120V RMS的激發(fā)能階，以及0.648°的激發(fā)電壓：120×sqrt (2)×sin (0.648°) = 1.92V，這樣的結(jié)果足以驅(qū)動(dòng)我們不想要的短路脈沖電流，如同上面「瞬間短路」那張圖中顯示的紅色箭頭。

在這類(lèi)應(yīng)用中你會(huì)被告知需要使用快速恢復(fù)二極管，盡管其線(xiàn)路頻率很低；因?yàn)槟切┟}沖事件會(huì)在每一個(gè)AC輸入周期發(fā)生兩次，是相當(dāng)嚴(yán)重的問(wèn)題。透過(guò)采用快速恢復(fù)二極管，情況會(huì)像是下圖所顯示，那些不受歡迎的脈沖效應(yīng)會(huì)弱得多。

快速恢復(fù)二極管半波整流

到目前為止，儲(chǔ)存電荷一直被視為「敵人」，但有時(shí)候如果我們想利用它，也是可以「化敵為友」；如果我們將激發(fā)頻率從60Hz或400Hz的電源線(xiàn)數(shù)字提高到HF/VHF/UHF等調(diào)頻，并采用名為躍階恢復(fù)二極管(step recovery diode)的組件，我們就能得到如下圖的整流情況：

躍階恢復(fù)二極管半波整流

在這里可以看到，二極管的儲(chǔ)存電荷在一個(gè)故意拉長(zhǎng)的激勵(lì)波形周期部份中維持反向電流，達(dá)到理想的270°；就像是我們之前觀(guān)察到的緩慢恢復(fù)二極管會(huì)產(chǎn)生不需要的激發(fā)頻率諧波，躍階恢復(fù)二極管會(huì)產(chǎn)生我們需要的激發(fā)頻率諧波，讓我們能制作如下圖的倍頻電路(frequency multiplier)。

躍階恢復(fù)二極管倍頻電路

想象100MHz的輸入會(huì)取得300MHz的輸出，非常漂亮！

而接下來(lái)我們看另外一種組件，高頻二極管(PIN二極管)；這種組件在激發(fā)頻率夠高時(shí)，儲(chǔ)存電荷永遠(yuǎn)不會(huì)故意耗盡；我們可以利用PIN二極管動(dòng)態(tài)阻抗會(huì)隨著電流乘載水平之函數(shù)而變化的特性，該特性把PIN二極管當(dāng)作可變RF/微波訊號(hào)衰減組件(RF/microwave signal attenuator element)來(lái)運(yùn)用，如下圖。

PIN二極管訊號(hào)衰減組件



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