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硬件基础知识笔记（2）——二级管、三极管、MOS管

news 来源：原创 2025/7/17 1:18:38

Part 2 二级管、三极管、MOS管

1、二级管
- 1.1肖特基二极管和硅二极管选型比较
- 1.2到底是什么决定了二极管的最高工作频率？
- 1.3二极管结电容和反向恢复时间都是怎么来的

1、二级管

1.1肖特基二极管和硅二极管选型比较

在这里插入图片描述
肖特基二极管的优势主要在速度和压降，对这两个没要求的场景，那自然选择更便宜的由硅构成的二极管。

二极管导通电压
提起二极管导通电压，估计脑子里面都是0.7V，形成这个印象其实并不好，有4 点原因。
1、这个0.7V，说的是硅二极管，肖特基二极管要更低。
我们经常使用二极管串联在电源支路上面，防止倒灌。那你担心过二极管上面压降太大吗？

在对压降有要求的地方，可能用的就是肖特基二极管，它的压降有多低呢？
以英飞凌的BAT60BE237 为例子吧，我截个图给大家看看。

通过10mA 的电流，压降才0.24V。
对于一些小电流防倒灌的场合，电压不能下降太多，肖特基二极管就比较实用了。如果工作电流更小，可能压降才零点一几伏。
所以，不要看到个电路中串了个二极管，就觉得这个压降是0.7V。
2、导通电压门限，这本身就是个模糊的定义
我们知道二极管的伏安特性曲线是对数关系，那到底是通过1mA 电流时看作开始导通，还是10mA？100mA？

3、导通电压有时会到1V 以上，不同型号也相差比较大
总会有用到大电流的时候，其实也不用太大，1A 就行。这时硅构成的二极管，它导通电压其实一般都到1V 左右了。
下图是DIODES 品牌的超快恢复二极管系列，可以看到1A 时，导通电压在1V 以上，其中耐压600V以上的二极管导通电压都到了1.7V。

4、发光二极管导通压降差异更大

发光二极管也是二极管，不过它的区别就更大了。
发光二极管有多种颜色，他们的导通电压都不相同：例如红色为2V 左右、蓝色约2.8V 左右等等。
所以，在脑子里面形成潜意识，二极管导通电压为0.7V，非常不好。
二极管漏电流
这个参数，值得一提的是，肖特基二极管的漏电流，是硅二极管的100 倍左右。
还有一点就是，漏电流与温度有很大的关系。温度越高，漏电流越大。
硅二极管温度越高，漏电流越大，是原因硅二极管的漏电流是由少子决定的，温度越高，本征激发越强烈，少子浓度会升高，所以漏电流就越大了。
下面对比下某肖特基二极管和硅二极管的漏电流大小。

可以看到，肖特基二极管漏电流较大，在100 摄氏度时甚至到了5mA。
与此同时，漏电流的大小与温度有很大关系，125℃是25℃的几十倍。
其它几个参数简单提下
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。
工作频率：由反向恢复时间决定的。
耐压：记住肖特基二极管耐压值，很难做高就行吧，一般不超过100V，当然，更高的也有，这里只说常见的。而硅二极管可以做很高。

1.2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？
结电容Cj or 反向恢复时间Trr
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不是一回事，反向恢复时间绝不能等同于二极管手册中结电容的充放电时间。

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。

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，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
这几个二极管参数截图如下：

肖特基二极管的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硅二极管是不一样的，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
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，不是由二极管手册标注的那个结电容决定的。
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。
硅二极管，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，肖特基二极管与硅二极管相比，肖特基速度是最快的，可以工作在更高的频率。
反向恢复时间并不是手册标注的结电容的充放电时间。

1.3二极管结电容和反向恢复时间都是怎么来的

结电容

二极管是两个管脚的器件，两个管脚会形成电容，不过这个电容很小，相比结电容来说，可以忽略不计了。
那结电容到底指的是什么呢？所有的道理，其实都在PN 结里面，我们稍稍深入了解下PN 结，答案就出来了。
结电容有两种，分别是势垒电容和扩散电容。

势垒电容
我们知道，P 区空穴多，N 区电子多，因为扩散，会在中间形成内建电场区。N 区那边失去电子带正电荷，P 区那边得到电子带负电荷。

当给PN 结加上稳定的电压，那么稳定后，内建电场区的厚度也会稳定为一个值，也就是说内部电荷一定。如果PN 结上的电压向反偏的方向增大，那么内建电场区厚度也增加，即内部电荷增多。反之，如果电压减小，那么内部电荷减少。
这样一看，不就和电容充放电现象一样吗？
PN 结两端电压变化，引起积累在中间区域的电荷数量的改变，从而呈现电容效应，这个电容就是势垒电容。
上面是对结电容的理解，那么这个结电容大小等于多少呢？如下图

我们知道，势垒宽度，也就是内建电场区的宽度，是与电压相关的。所以说，不同的电压下，势垒电容的大小也是不同的。
所以，当你随意翻开某二极管的规格书，你看到的结电容参数，它会指定测试条件。通常这个条件是1MHz，电压为-4V（反偏）。

事实表明，二极管在反偏时，势垒电容起主要作用，而正偏时，扩散电容起主要作用。下面看看扩散电容。

扩散电容
相比与势垒电容，扩散电容要更难以理解。
扩散电容：当有外加正向偏压时，在p-n 结两侧的少子扩散区内，都有一定的少数载流子的积累，而且它们的密度随电压而变化，形成一个附加的电容效应，称为扩散电容。
当PN 结加上正向电压，内部电场区被削弱，因为浓度差异，P 区空穴向N 区扩散，N 区的电子向P区扩散。

扩散的空穴和电子在内部电场区相遇，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，空穴进入N 区，电子进入P 区。
进入N 区的空穴，并不是立马和N 区的多子-电子复合消失，而是在一定的距离内，一部分继续扩散，一部分与N 区的电子复合消失。
显然，N 区中靠近内部电场区处的空穴浓度是最高的，距离N 区越远，浓度越低，因为空穴不断复合消失。同理，P 区也是一样，浓度随着远离内部电场区而逐渐降低。总体浓度分布如下图所示。
在这里插入图片描述
当外部电压稳定不变的时候，最终P 区中的电子，N 区中的空穴浓度也是稳定的。也就是说，P 区中存储了数量一定的电子，N 区中存储了数量一定的空穴。如果外部电压不变，存储的电子和空穴数量就不会发生变化，也就是说稳定存储了一定的电荷。
但是，如果电压发生变化，比如正向电压降低，电流减小，单位时间内涌入N 区中的空穴也会减小，这样N 区中空穴浓度必然会降低。同理，P 区中电子浓度也降低。所以，稳定后，存储的电子和空穴的数量想比之前会更少，也就是说存储的电荷就变少了。
在这里插入图片描述

这不就是一个电容吗？电压变化，存储的电荷量也发生了变化，跟电容的表现一模一样，这电容就是扩散电容了。
那这个电容大小是多少呢？
在这里插入图片描述

扩散电容随正向偏压按指数规律增加。这也是扩散电容在大的正向偏压下起主要作用的原因。
在这里插入图片描述

如上图，二极管的电流也与正向偏压按指数规律增加，所以，扩散电容的大小与电流的大小差不多是正比的关系。

为什么是少数载流子的积累呈现电容效应？多子不行吗？
少数载流子，指的是N 区中的空穴，P 区中的电子。要知道，N 区中有更多的电子，就因为P 区中的空穴扩散到N 区，N 区就带正电了吗？
假如没有扩散作用，N 区中电子是多子，且电子带负电，但是整个N 区是电中性的，因为N 区是硅原子和正五价原子构成，它们都是中性的。同理P 区中空穴是多子，整体也是电中性的。

现在将N 区和P 区放到一起，并加上正电压，就有了正向电流。N 区的电子向P 区移动，P 区的空穴向N 区移动，如果电子和空穴都在交界处复合消失，那么N 区和P 区还是电中性的。
但事实是，电子和空穴有的会擦肩而过，电子会在冲进P 区，空穴也会冲进N 区。尽管P 区有很多空穴，电子进入后也不会马上和空穴复合消失，而是会存在一段时间。这时如果我们看P 区整体，它不再是电中性了，它有了净电荷。电荷数量就是还没有复合的电子数量，也就是少数载流子的数量。同理，N区也有净电荷，为少数载流子空穴的数量。
所以说，扩散电容是少数载流子的积累效应。
事实表明，PN 结正偏的时候，结电容主要是扩散电容，PN 结反偏的时候，结电容主要是势垒电容。

反向恢复时间

e = - $\frac{dφ}{dt}$ = -L $\frac{di}{dt}$
w = $\frac{1}{\sqrt LC }$
$\overrightarrow{AB}$
$\int$
$\sqrt LC$

在这里插入图片描述
敬请期待。。。

Part 2 二级管、三极管、MOS管

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1.2到底是什么决定了二极管的最高工作频率？

1.3二极管结电容和反向恢复时间都是怎么来的

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