硬件基础知识笔记（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

 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。

1. 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。
2. 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

1. 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。

 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。

 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？

 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。

 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。

2. 反向恢复时间
    由PN 结构成的二极管都会有一个trr 的参数，这个参数就是二极管的反向恢复时间。
   
    从上一节内容我们知道，trr 这个参数决定了二极管的最高工作频率。
    那反向恢复时间到底是怎么来的呢？我们来看下面这个图
   

 在t＜0 时，二极管接正向电源，正向电流为（Vf-Va）/Rf。
 可以想象，此时PN 结处充斥的很多的载流子，也就是存储了很多的电荷。
 如果我们开启上帝视角，会发现，整个PN 结，包括内建电场区，到处都有载流子存在。也就是说，现在整个PN 结相当于是良导体，如果电源迅速反向，电流也是可以迅速反向的。

 在t=0 时，二极管接反向电源，但是此时PN 结正偏的特性不会马上改变。
 为什么PN 结的正偏特性不会改变呢？
 可以这么看，PN 结反偏时内建电场区是基本没有电荷的，很明显，现在存了很多电荷，不把这些电荷搞掉，正偏特性不会变化的。也可以理解为是结电容导致电压不能突变，电荷没放完，结两端的电压就不会变反向。
 与此同时，因为存储了大量电荷，此时PN 结可以看成良导体，电流立马反向，反向电流为（Vr+Va）/Rr。
 不过需要注意，这时电流的成因是少数载流子反向运动的结果，随着时间推移，少数载流子数量是越来越少的。

 在t=ts 时，PN 结中心处少数载流子被消耗光了，此时PN 结的内建电场区开始建立，二极管开始恢复阻断能力。在这之后，P 区和N 区剩余的载流子已经不能反向运动了，因为中间断了。不过，P 区和N区还有剩余的载流子存在，并不为0，几个时刻的载流子浓度分布如下图。

 在t>ts 之后，中间被阻断，那是不是整体电流就立马下降到0 呢？其实不是的，电流还是存在的，因为P 区和N 区各自剩余的少数载流子并没有达到热平衡，最终会复合消失，这个复合会产生电流。
 这个可能不好理解，中间都断了，不允许电荷穿过，怎么还能有电流呢？
 P 区剩余的少数载流子是电子，前面说过，这导致P 区整体看起来带负电。复合完成之后，P 区整体是不带电的，这些电荷必然是慢慢回到了电源，那自然就有了电流。
 这类似于电容充放电会形成电流，电容充放电时，两极板中间绝缘，也不会有电荷移动。
 所以，尽管中间阻断了，也还是有电流的，只有当重新达到热平衡，复合电流才会为0。
 整个过程，电源电压，二极管两端电压，反向电流的波形图如下所示，图中的trr 就是反向恢复时间

 如果上网多看看的话，我们有时也会看到这样的图，二极管反向电流最大值的地方并不是平的，并且二极管两端电压会出现反向尖峰。

 那到底哪个图是对的呢？
 其实，这个差异，仅仅只是电路的不同。如果看明白前面说的二极管反向恢复电流的形成过程，这个图也就能理解了。
 前面画的波形，我们的电路中串联有电阻，当没有这个电阻的时候，或者说电阻很小的时候。反向电流会非常大，而从正向电流变为反向电流，这需要时间，这会导致di/dt 非常大。此时，电路中的电感就不能忽略了，因为有电感的存在，导致二极管两端会存在比电源还大的电压，也就是反向电压尖峰。

 整个过程如下：
 在t<0 时，电感有正向的电流。
 在t=0 时，电源突然反向，因为二极管内部充满电荷，此时相当于导体，所以压降很小，这导致反向电压全都落在了电感上面，因此电流以斜率为di/dt=(Vr+Va)/L 下降。
 在t=ts 时，二极管开始恢复阻断能力，此时电流达到最大，随后反向电流会下降。
 在t>ts 后，二极管的电流为复合电流，随着载流子越来越少，电流也越来越小。此时电感会阻碍电流变小，因此会产生反向感应电压，这会导致在二极管两侧的反向电压比电源电压还大，也就是会出现反向电压尖峰Vrm。随着时间越来越长，复合电流基本为0 了，电感电压也就基本为0 了，此时二极管两端电压也就等于电源电压Vr。
 总的来说，反向恢复时间就是正向导通时PN 结存储的电荷耗尽所需要的时间。
 因此，就很容易明白下面这些：
 1、反向电源电压越小，反向恢复电流越小，电荷耗尽越慢，反向恢复时间越长。
 2、正向电流越大，存储的电荷越多，耗尽时间越长，反向恢复时间越长。
 3、半导体材料的载流子复合效率越低，寿命越长，电荷耗尽时间越长，反向恢复时间越长。

1.4肖特基二极管的工作原理

1. 肖特基二极管的工作原理
    肖特基二极管，本质上就是金属和半导体材料接触的时候，在界面半导体处的能带弯曲，形成了肖特基势垒。
   

 通俗理解就是金属和半导体（一般是N 型的）接触的时候，电子会从半导体跑到金属里面去。半导体失去电子，就会带正电，形成空间电荷区（不可移动的正离子构成），这个空间电荷区会阻止电子继续移动，也就形成了肖特基势垒。

 当在这个势垒上面加上正向电压（金属电压>半导体电压），那么半导体和金属之间的势垒就降低了。如此一来呢，电子就会从半导体流向金属，从而形成正向电流。
 反之，当加上反向电压，势垒被加大，电流基本为0，也就是说反偏截止了。
 估计会有疑问：扩散不是从浓度高向浓度低的方向扩散？怎么会是金属失去电子呢？金属的自由电子那么多，搞错了？
 这么理解吧，一个金属块，里面有很多自由电子，我们称它们“自由”，说的是它们在这个金属块里面可以自由的移动，只有加一点点电压，电子就能在金属块内运动。
 但是如果想让它们脱离金属，飞到真空中去，这个应该是挺难的吧。难归难，就有一个参数衡量到底有多难，那就是功函数。
 功函数也叫逸出功，就是把电子从固体内部弄到外部去，所需的最少的能量。
 事实表明，这个能量，金属要比半导体（半导体称为电子亲合能）要大。所以，电子更难脱离金属，而半导体相对容易一点。
 因此，金属与半导体搞到一起的时候，是金属得到电子。

 P 型半导体，N 型半导体，里面其实绝大多数都是硅，只是掺杂了少许杂质，它们的主要特性没有变化，就是硅晶体，可以看作是同一种材料。

 而金属和半导体，它们完全是两种材料，得失电子就要考虑逸出功。
 其实，P 型半导体和N 型半导体，我们也是可以考虑逸出功的。只不过它们可以看作是一种材料，逸出功是一样的，也就是没有影响，所以一般也就不提了，主要考虑扩散作用了。
 问题又来了：你说金属与半导体接触会形成肖特基二极管，那我们实际用的PN 结二极管，焊接的两个管脚是金属导体吧，而里面又是半导体。
所以肯定有金属和半导体接触吧，怎么没听说形成了肖特基二极管？
 这里呢，需要说明一下，金属与半导体相接触，并不是一定会形成二极管。
 在N 型半导体掺杂很高的时候，形成的势垒会非常的薄，这时的电子呢，可以通过隧道效应直接就穿过这个薄的势垒了。
 这时候，这个势垒就相当于是一个低阻值的电阻了，没有二极管的整流特性。这种接触称为欧姆接触。

 而掺杂低的时候，形成的势垒相对较宽，电子就不能因为隧道效应越过势垒区了，这时候会形成二极管，这种金属-半导体接触就叫肖特基接触。

2. 肖特基二极管为什么速度快
 都知道肖特基二极管比普通的二极管的速度更快，那为什么呢？
 通过我们前面的文章知道，普通二极管的速度慢，其原因就是因为有反向恢复时间，而反向恢复时间是因为少数载流子的存储作用导致的。
 而从肖特基二极管的工作原理可以看出，它只有一种载流子，那就是电子，也是多子。
 所以就不存在反向恢复时间了，或者说反向恢复时间很短吧。

1.5为什么要用肖特基二极管续流？

 我们来看一个问题：
 为什么开关电源中，一般用肖特基二极管续流，不用快恢复二极管呢？
 答案主要有两点：
 一是肖特基二极管导通电压更低。
 二是肖特基二极管速度更快，反向恢复时间更小。
 如此一来，使用肖特基二极管肯定损耗是更小的，温度更低，也不会烫成狗，这样整个开关电源效率也更高。
 结合实例，对比肖特基和快恢复二极管两者的差异。

 这次我们重点关注图中的二极管，当然了，这个二极管一般使用肖特基二极管，图中使用的是MBR735，也是一个肖特基二极管。
 我们看一下二极管的电流和电压波形，如下图：

 可以看到，这个肖特基二极管的导通时间是0.5V 左右。
 另一方面，二极管在导通到截止切换时，电流有一个向下的脉冲，峰值可以达到-1.2A，这个是反向电流。
 也就是说，二极管存在反向导通的时间，并不能在电压反向时马上截止。
 我们把下冲拉开看看，如下图：

 大的负电流持续的时间大概是2ns 左右，在6ns 时电流完全降低到0。

• 为什么会有这个负电流呢？
   这是因为肖特基二极管存在结电容，这个结电容大概是200pF 左右，比硅二极管要大（硅一般是20pF 左右，这里的数值仅供参考，不同二极管不同），电容电压发生变化，自然会有充放电发生，就形成了电流。
   也有个说法是肖特基二极管也存在反向恢复时间，只不过很短，小于10ns。
   不过我的看法是肖特基是不存在反向恢复时间的，因为反向恢复时间一般认为是少数载流子的存储效应导致的，而肖特基二极管是由肖特基结构成的，不存在少子。但是肖特基二极管它存在结电容，而且这个结电容比硅二极管要大，这个结电容引起的效果有点像是反向恢复时间。
   总之意思大概就是，肖特基二极管的反向电流会比较小，持续时间也会比较短。
   以上是肖特基二极管的情况，下面看看超快恢复二极管。
   换为超快恢复二极管
  

 电路只将二极管换成了超快恢复二极管MURS320。
 从它的手册里面可以知道，反向恢复时间最大是35ns，这在二极管中这已经是相当小的。我们也看一下它的电流和电压波形。

 可以看到，导通电压要更高一些，是0.7V 左右。这个下冲就更明显了，直接达到了-38A 左右，有点吓人。
 我们也把下冲拉开看看。

 可以看到，持续的时间大概是5ns 左右。这里可能有一个疑问：前面不是说这个管子反向恢复时间是35ns 左右吗？怎么现在这么小？
 我的想法是，反向恢复时间是在一定条件下测试的，反向电流是有限制的，如下图：

 而我们这个boost 电路，肯定跟这个测试电路是不同的，在反向时，并没有什么别的器件能阻碍反向电流，所以反向电流会比较大。
 并且，二极管反向恢复时间，就是正向导通时PN 结存储的少数载流子电荷耗尽所需要的时间。
 反向截止之前，正向电流一定，那么存储的电荷就一定。截止切换时，反向电流越大，那么存储的电荷消耗得就越快，进而导致持续的时间越短，所以我们看起来的反向恢复时间与二极管手册里面有较大区别。

• 超快恢复换成普通硅二极管会怎么样？
   结果是：换成普通硅二极管之后，这个boost 直接工作异常，输出电压不对了，直接gg。
   原因想想也很简单，普通硅二极管的反向恢复时间都到了us 级别了，开关频率300Khz，周期就是3.3us，半个周期是1.67us，在这个频率下，二极管基本可以看作是一直导通了。

2、三极管

2.1三极管工作原理分析

e = -$\frac{d\phi }{dt}$ = -L$\frac{di}{dt}$
w = $\frac{1}{\sqrt{L}C}$
$\overrightarrow{AB}$
$\int$
$\sqrt{L}C$

敬请期待。。。