現代集成電路中MOSFET的體二極管的反向恢復特性對系統安全具有重要影響，本文探討了Diode的反向恢復特性的機理和模型原理。

半橋、全橋和 LLC 的電源系統以及電機控制系統的主功率 MOSFET、同步 Buck 變換器的續流開關管、以及次級同步整流開關管，其體內寄生的二極管都會經歷反向電流恢復的過程。功率 MOSFET 的體二極管的反向恢復的特性較差，導致二極管的開關損耗增加，降低系統的效率，同時，也會產生較高的振鈴，影響功率 MOSFET 的安全工作 。對應的反向恢復特性，在Model中該如何考慮呢？今天就這方面來做一些討論。

二極管方向恢復機理

當體二極管外加正向電壓 VF 時，正向電壓削弱了 PN 結的內電場，漂移運動被削弱，擴散運動被增強，擴散和漂移的動態平衡被破壞。結果造成 P 區的空穴（多子）流向 N 區，N 區的電子(多子）流向 P 區。進入 P 區的電子和進入 N 區的空穴分別成為該區的少子。因此，在 P 區和 N 區的少子比無外加電壓時多，這些 多出來的少子稱為非平衡少子。

這些非平衡少子，依靠積累時濃度差在 N 區和 P 區進行擴散。以空穴為例，其在N區建立起空穴濃度分布，靠近結邊緣的濃度最大，離結越遠，濃度越小 。正向電流越大，存儲的空穴數目越多，濃度分布的梯度也越大。電子擴散到Ｐ區的情況也類似，下圖為二極管中存儲電荷的分布。通常把正向導通時，非平衡少數載流子積累的現象叫做電荷存儲效應。

當體二極管施加反向電壓時，P 區存儲的電子和 N 區存儲的空穴不會馬上消失，它 們將通過兩個途徑逐漸減少：

a. 在反向電場作用下，P 區電子被拉回 N 區，N 區空穴被拉回 P 區，形成反向漂移電流；

b. 與多數載流子復合。

二極管在開關轉換過程中出現的反向恢復過程，實質上由于電荷存儲效應引起的，反向恢復時間就是存儲電荷消失所需要的時間。

雙脈沖測試電路

雙脈沖測試是廣泛應用于MOSFET和IGBT等功率開關元件特性評估的一種測試方法。該測試不僅可以評估對象元件的開關特性，還可以評估體二極管和IGBT一同使用的快速恢復二極管（FRD）等的反向恢復特性。因此，對導通時發生反向恢復特性引起損耗的電路的評估非常有效。雙脈沖測試的基本電路圖如下所示。

該電路中上管為Diode測試管、下管是驅動用的MOSFET，雙脈沖測試的基本工作主要可以分為①、②、③這三種。當定義脈沖發生器的電壓為VPulse、流過電感的電流為IL、DUT的電壓為VDD。當工作為①狀態時，MOSFET為ON狀態。電流路徑為：電源→電感Ls→電感L→MOSFET→電源。此時電感L蓄能。當工作為②狀態時，MOSFET關斷(OFF) (I=0A)，因此電流路徑為：電感L→Diode形成閉合電路，變為續流運行。當工作為③狀態時，MOSFET再次導通(ON)，電流路徑為電源→電感Ls→電感L→MOSFET→電源，此時Diode的反向恢復電流與導通時的重疊，觀察流過Diode的電流，即可看到反向恢復的現象。

SPICE Model 如何描述反向恢復特性

二極管中總的電荷Q由兩部分構成：結兩端電壓變化引起積累在此區域的電荷和中性區（NR）中儲存的電荷，是由注入到中性區（NR）中的少數載流子形成的。分別對應結電容CJ和擴散電容CD。

其中，CJ的表達式如下：

而CD的表達式為：

換句話說，反向恢復是和Diode的電容相關的。當我們確定好CJ的電容參數CJO, M, FC, VJ。那么反向恢復的參數就和CD的參數TT是相關的。

SPICE Model反向恢復參數該如何抽取

Spice Model 參數的提取可以在ICCAP中進行。ICCAP中提供了一個基礎的Diode例子，可以在我們可以在這個例子的基礎上開發反向恢復參數抽取驗證的例子。

在這個例子中定義新的DUT，命名為Recovery，并編寫雙脈沖測試電路，此處是用spice語法編寫的，這個和對應仿真器語法要一致。

給定相應的測試仿真激勵，測試通過Diode的電流，我們即可觀察到反向恢復的特性曲線。

ICCAP中可以使用Tuning來優化調諧相應的參數。當我們Tuning TT的參數時，會發現反向電流在變化。

雙脈沖測試仿真驗證

同樣，我們可以在ADS中搭建雙脈沖測試電路。

仿真結果如下：

總結

在實際應用中，MOSFET 的體二極管給我們帶來了很多的方便和好處，但我們不能忽視其反向恢復特性對系統的影響。

trr的數值大小（Model中與TT參數相關）直接影響了電子器件的性能和可靠性。以下是trr對電子器件的幾個重要影響因素：

1、能耗和效率：高trr值意味著電子器件在反向恢復時需要更長的時間，從而產生更多的能量損耗。這會降低電子器件的能效和工作效率。

2、開關速度：trr值越小，電子器件的反向恢復速度越快。在高頻率開關應用中，反向恢復時間短的器件可以更快地切換狀態，提高整體系統的響應速度。

3、可靠性：當電流反向通過二極管時，如果trr值過大，會產生較高的反向電壓峰值。這可能導致功率損耗、熱量產生和器件損壞，影響整個電路的可靠性和壽命。