[科普中国]-阶跃恢复二极管

阶跃恢复二极管（Step-Recovary Diode）：它与快恢复二极管有所不同，其主要特点是关断时的下降时间tf几乎为0（为ps数量级），但是，其存储时间ts却比较长。而快恢复二极管这种高速开关管的存储时间和下降时间都很短，所以其总的反向恢复时间很短。不过，在实现很短的反向恢复时间中所采取的措施，主要是着眼于减短存储时间，而下降时间还往往对开关性能有着一定的影响（即关断时的反向电流波形有一定的拖尾）。

定义阶跃二极管又被称为阶跃恢复二极管,从导通切换到关闭时的反向恢复时间trr短,因此,其特长是急速地变成关闭的转移时间显著地短。如果对阶跃二极管施加正弦波,那么,因tt（转移时间）短,所以输出波形急骤地被夹断,故能产生很多高频谐波。它也是一种具有PN结的二极管。其结构上的特点是：在PN结边界处具有陡峭的杂质分布区,从而形成“自助电场”。由于PN结在正向偏压下,以少数载流子导电,并在PN结附近具有电荷存贮效应,使其反向电流需要经历一个“存贮时间”后才能降至最小值（反向饱和电流值）。
阶跃恢复二极管是一种特殊的变容管，也称作电荷储存二极管，简称阶跃管，它具有高度非线性的电抗，应用于倍频器时代独有的特点，利用其反向恢复电流的快速突变中所包含的丰富谐波，可获得高效率的高次倍频，它是微波领域中优良的倍频元件。

特性阶跃恢复二极管的特性：在存储电荷消失之后（t=ts时）反向电流突然降为0，即消除了关断时的反向电流拖尾。这种二极管不仅具有极短的下降时间，而且也具有很好的正向导电性能。正因为这种很好的正向导电性，所以它在正向电压时将会存储大量的少数载流子电荷，同时关断的存储时间也较长。由于阶跃恢复二极管在正向工作时将存储有大量的少数载流子电荷，所以它是一种很好的所谓电荷存储二极管。

如何实现阶跃恢复二极管在关断过程中的下降时间tf≈0？基本的考虑应该是：当存储时间ts结束后，在p-n结势垒区边缘处的少数载流子浓度梯度需要变为0。这可采用在扩散区中设置由势垒区指向扩散区的内建电场来达到。因为这种方向的内建电场虽然对于少数载流子的正向扩散具有加速作用，但是对于反向的扩散却具有阻挡作用，即在p-n结关断时具有拉住少数载流子、不让它们流入势垒区的作用；这样一来，在全部存储的少数载流子消失之前，在势垒区边缘处的少数载流子浓度不可能变为0，于是就必能得到dp/dx=0，即反向扩散电流很快下降到0，所以下降时间tf≈0。阶跃恢复二极管中的内建电场可通过不均匀的掺杂技术来引入。实际上，该二极管在结构上往往就是界面附近处的掺杂浓度分布非常陡峭的p-i-n结（通常可采用外延技术来形成）。因为阶跃恢复二极管具有这种较为特殊的、与变容二极管相似的杂质浓度分布，所以该二极管也可以看成是一种特殊的变容二极管。

如何制作阶跃恢复二极管？所采用的Si，往往是少数载流子寿命较长的材料（0.5～5μs），用以获得较多的存储电荷；而在制作快恢复二极管时，为了减短存储时间，所采用的Si材料的少数载流子寿命都是很短的（比阶跃恢复二极管的约短1000倍）。

阶跃恢复二极管的直流伏安特性与一般p-n结的相同；一般，其正向压降较低，反向击穿电压较高（采用p-i-n结构之故）。但它在瞬态响应上非常特殊，由于其下降时间≈0，关断时电流的变化很急速（电流波形陡峭），因此它是一种具有高度非线性特性的电抗元件，所以在电路应用中能够产生出丰富的谐波分量。从而，阶跃恢复二极管可用于倍频器、高速脉冲整形与发生器以及高频谐波发生器等。在用作倍频器时，在高达20次倍频中仍然能够保持较高的效率，故它是一种优良的微波倍频元件。

当然，如果能够做到不仅存储时间很短，而且下降时间也像阶跃恢复二极管那样近似为0，则这种二极管就必然是极其优良的超高速开关二极管。1

阶跃恢复二极管的工作原理阶跃二极管又被称为阶跃恢复二极管,从导通切换到关闭时的反向恢复时间trr短,因此,其特长是急速地变成关闭的转移时间显著地短。如果对阶跃二极管施加正弦波,那么,因tt（转移时间）短,所以输出波形急骤地被夹断,故能产生很多高频谐波。它也是一种具有PN结的二极管。其结构上的特点是：在PN结边界处具有陡峭的杂质分布区,从而形成“自助电场”。由于PN结在正向偏压下,以少数载流子导电,并在PN结附近具有电荷存贮效应,使其反向电流需要经历一个“存贮时间”后才能降至最小值（反向饱和电流值）。

阶跃恢复二极管是一种特殊的变容管，也称作电荷储存二极管，简称阶跃管，它具有高度非线性的电抗，应用于倍频器时代独有的特点，利用其反向恢复电流的快速突变中所包含的丰富谐波，可获得高效率的高次倍频，它是微波领域中优良的倍频元件。

阶跃管的特性是建立在PN结杂质的特殊分布上，和变容管相似，阶跃管的符号如图1所示，它的直流伏安特性与一般PN结构相同。

阶跃管的特点：

阶跃恢复二极管的“自助电场”缩短了存贮时间,使反向电流快速截止,并产生丰富的谐波分量。利用这些谐波分量可设计出梳状频谱发生电路。快速关断（阶跃恢复）二极管用于脉冲和高次谐波电路中。

当处于导通状态的二极管突然加上反向电压时，瞬间反向电流立即达到最值 IR，并维持一定的时间ts，接差又立即恢复到零。

阶跃管的应用

阶跃管主要用于倍频电路和超高速脉冲整形和发生电路，图(a) 是一个曲型的高次频器，利用阶跃管，很容易做到高达20次倍频而仍保持高效率。图(a)是利用阶跃管的脉冲整形电路，图(c)是整形前后的波形比较2。

本词条内容贡献者为:

李雪梅 - 副教授 - 西南大学