階躍恢復二極體

階躍恢復二極體（Step-Recovary Diode）：它與快恢復二極體有所不同，其主要特點是關斷時的下降時間tf幾乎為0（為ps數量級），但是，其存儲時間ts卻比較長。而快恢復二極體這種高速開關管的存儲時間和下降時間都很短，所以其總的反向恢復時間很短。不過，在實現很短的反向恢復時間中所採取的措施，主要是著眼於減短存儲時間，而下降時間還往往對開關性能有著一定的影響（即關斷時的反向電流波形有一定的拖尾）。

基本介紹

• 中文名：階躍恢復二極體
• 外文名：Step-Recovary Diode
• 性能：極其優良的超高速開關二極體
• 別名：電荷存儲二極體

定義

階躍二極體又被稱為階躍恢復二極體,從導通切換到關閉時的反向恢復時間trr短,因此,其特長是急速地變成關閉的轉移時間顯著地短。如果對階躍二極體施加正弦波,那么,因tt（轉移時間）短,所以輸出波形急驟地被夾斷,故能產生很多高頻諧波。它也是一種具有PN結的二極體。其結構上的特點是：在PN結邊界處具有陡峭的雜質分布區,從而形成“自助電場”。由於PN結在正向偏壓下,以少數載流子導電,並在PN結附近具有電荷存貯效應,使其反向電流需要經歷一個“存貯時間”後才能降至最小值（反向飽和電流值）。
階躍恢復二極體是一種特殊的變容管，也稱作電荷儲存二極體，簡稱階躍管，它具有高度非線性的電抗，套用於倍頻器時代獨有的特點，利用其反向恢復電流的快速突變中所包含的豐富諧波，可獲得高效率的高次倍頻，它是微波領域中優良的倍頻元件。

特性

階躍恢復二極體的特性：在存儲電荷消失之後（t=ts時）反向電流突然降為0，即消除了關斷時的反向電流拖尾。這種二極體不僅具有極短的下降時間，而且也具有很好的正嚮導電性能。正因為這種很好的正嚮導電性，所以它在正向電壓時將會存儲大量的少數載流子電荷，同時關斷的存儲時間也較長。由於階躍恢復二極體在正向工作時將存儲有大量的少數載流子電荷，所以它是一種很好的所謂電荷存儲二極體。

如何實現階躍恢復二極體在關斷過程中的下降時間tf≈0？基本的考慮應該是：當存儲時間ts結束後，在p-n結勢壘區邊緣處的少數載流子濃度梯度需要變為0。這可採用在擴散區中設定由勢壘區指向擴散區的內建電場來達到。因為這種方向的內建電場雖然對於少數載流子的正向擴散具有加速作用，但是對於反向的擴散卻具有阻擋作用，即在p-n結關斷時具有拉住少數載流子、不讓它們流入勢壘區的作用；這樣一來，在全部存儲的少數載流子消失之前，在勢壘區邊緣處的少數載流子濃度不可能變為0，於是就必能得到dp/dx=0，即反向擴散電流很快下降到0，所以下降時間tf≈0。階躍恢復二極體中的內建電場可通過不均勻的摻雜技術來引入。實際上，該二極體在結構上往往就是界面附近處的摻雜濃度分布非常陡峭的p-i-n結（通常可採用外延技術來形成）。因為階躍恢復二極體具有這種較為特殊的、與變容二極體相似的雜質濃度分布，所以該二極體也可以看成是一種特殊的變容二極體。

如何製作階躍恢復二極體？所採用的Si，往往是少數載流子壽命較長的材料（0.5～5μs），用以獲得較多的存儲電荷；而在製作快恢復二極體時，為了減短存儲時間，所採用的Si材料的少數載流子壽命都是很短的（比階躍恢復二極體的約短1000倍）。

階躍恢復二極體的直流伏安特性與一般p-n結的相同；一般，其正向壓降較低，反向擊穿電壓較高（採用p-i-n結構之故）。但它在瞬態回響上非常特殊，由於其下降時間≈0，關斷時電流的變化很急速（電流波形陡峭），因此它是一種具有高度非線性特性的電抗元件，所以在電路套用中能夠產生出豐富的諧波分量。從而，階躍恢復二極體可用於倍頻器、高速脈衝整形與發生器以及高頻諧波發生器等。在用作倍頻器時，在高達20次倍頻中仍然能夠保持較高的效率，故它是一種優良的微波倍頻元件。

當然，如果能夠做到不僅存儲時間很短，而且下降時間也像階躍恢復二極體那樣近似為0，則這種二極體就必然是極其優良的超高速開關二極體。

階躍恢復二極體的工作原理

階躍二極體又被稱為階躍恢復二極體,從導通切換到關閉時的反向恢復時間trr短,因此,其特長是急速地變成關閉的轉移時間顯著地短。如果對階躍二極體施加正弦波,那么,因tt（轉移時間）短,所以輸出波形急驟地被夾斷,故能產生很多高頻諧波。它也是一種具有PN結的二極體。其結構上的特點是：在PN結邊界處具有陡峭的雜質分布區,從而形成“自助電場”。由於PN結在正向偏壓下,以少數載流子導電,並在PN結附近具有電荷存貯效應,使其反向電流需要經歷一個“存貯時間”後才能降至最小值（反向飽和電流值）。

階躍恢復二極體是一種特殊的變容管，也稱作電荷儲存二極體，簡稱階躍管，它具有高度非線性的電抗，套用於倍頻器時代獨有的特點，利用其反向恢復電流的快速突變中所包含的豐富諧波，可獲得高效率的高次倍頻，它是微波領域中優良的倍頻元件。

階躍管的特性是建立在PN結雜質的特殊分布上，和變容管相似，階躍管的符號如圖1所示，它的直流伏安特性與一般PN結構相同。

階躍管的特點：

階躍恢復二極體的“自助電場”縮短了存貯時間,使反向電流快速截止,並產生豐富的諧波分量。利用這些諧波分量可設計出梳狀頻譜發生電路。快速關斷（階躍恢復）二極體用於脈衝和高次諧波電路中。

當處於導通狀態的二極體突然加上反向電壓時，瞬間反向電流立即達到最值 IR，並維持一定的時間ts，接差又立即恢復到零。

階躍管的套用

階躍管主要用於倍頻電路和超高速脈衝整形和發生電路，圖(a) 是一個曲型的高次頻器，利用階躍管，很容易做到高達20次倍頻而仍保持高效率。圖(a)是利用階躍管的脈衝整形電路，圖(c)是整形前後的波形比較。