各類型二極體都會有一種稱為「儲存電荷」(storage charge)的特性,其效應是當二極體在正向傳導模式(forward conduction mode)乘載電流時,會讓電流發生並非立即出現的停止流動情況,其中各種關斷狀態值得探究。

儲存電荷帶來的基本效應,是二極體接面上出現反向電壓時並不會立即關斷,電流會在一段有限的時間內繼續從相反方向流經接面。為了讓說明更清楚,讓我們以一個半波整流電路(half-wave rectifier circuit)做為實例:在第一種情況下,我們有一個如你所想像零儲存電荷的理想二極體,完全沒有反向電流,從下圖可見到它的理想波形。

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理想的二極體半波整流

到目前為止看來都很好…那麼如果二極體裡出現儲存電荷會發生什麼事?

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緩慢恢復的二極體半波整流

在上圖的例子中,當輸入正弦波跨越零伏特時,二極體關斷並未立即發生,而是有一段短暫但明顯的反向傳導時間;此外,輸出波形到零的過程(steps-to-zero)非常快速,因此在激發頻率的諧波是產生EMI的「沃土」,這可能非常難以控制與抑制。

而如果我們暫時不談全波整流器,還是可以看到那些反向二極體電流脈衝,那些脈衝也可能導致在激發源周遭發生脈衝性短路,如下圖。

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瞬間短路

線路頻率、短路電流脈衝真的會產生某種程度的嚴重EMI與漣波(ripple)問題;舉例來說,粗估一個速度相當緩慢的二極體1N4007,其標稱恢復時間為30μSec,如下圖。

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緩慢的二極體恢復時間

如果激發頻率是60GHz,半週期是1/120秒或是8.3333 mSec,反向電流傳導角度會是180°乘以30μSec,再除以8.3333 mSec,結果為0.648°。如果施加120V RMS的激發能階,以及0.648°的激發電壓:120×sqrt (2)×sin (0.648°) = 1.92V,這樣的結果足以驅動我們不想要的短路脈衝電流,如同上面「瞬間短路」那張圖中顯示的紅色箭頭。

在這類應用中你會被告知需要使用快速恢復二極體,儘管其線路頻率很低;因為那些脈衝事件會在每一個AC輸入週期發生兩次,是相當嚴重的問題。透過採用快速恢復二極體,情況會像是下圖所顯示,那些不受歡迎的脈衝效應會弱得多。

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快速恢復二極體半波整流

到目前為止,儲存電荷一直被視為「敵人」,但有時候如果我們想利用它,也是可以「化敵為友」;如果我們將激發頻率從60Hz或400Hz的電源線數字提高到HF/VHF/UHF等無線電頻率,並採用名為躍階恢復二極體(step recovery diode)的元件,我們就能得到如下圖的整流情況:

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躍階恢復二極體半波整流

在這裡可以看到,二極體的儲存電荷在一個故意拉長的激勵波形週期部份中維持反向電流,達到理想的270°;就像是我們之前觀察到的緩慢恢復二極體會產生不需要的激發頻率諧波,躍階恢復二極體會產生我們需要的激發頻率諧波,讓我們能製作如下圖的倍頻電路(frequency multiplier)。

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躍階恢復二極體倍頻電路

想像100MHz的輸入會取得300MHz的輸出,非常漂亮!

而接下來我們看另外一種元件,高頻二極體(PIN二極體);這種元件在激發頻率夠高時,儲存電荷永遠不會故意耗盡;我們可以利用PIN二極體動態阻抗會隨著電流乘載水準之函數而變化的特性,該特性把PIN二極體當作可變RF/微波訊號衰減元件(RF/microwave signal attenuator element)來運用,如下圖。

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PIN二極體訊號衰減元件

編譯:Judith Cheng

(參考原文: Storage charge: an enemy and a friend,by John Dunn)