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晶體二極管開關(guān)轉(zhuǎn)換過程分析

發(fā)布時間:2010-09-16

中心議題:
  • 二極管開關(guān)特性
  • 二極管開關(guān)時間延遲原因分析
解決方案:
  • PN結(jié)寬窄變化
  • 勢壘電容和擴(kuò)散電容

晶體二極管開關(guān)電路在數(shù)字系統(tǒng)和自動化系統(tǒng)里應(yīng)用很廣泛,在晶體二極管開關(guān)特性實(shí)驗(yàn)中,其開關(guān)轉(zhuǎn)換過程中輸出與輸入存在時間上的延遲或者滯后,研究晶體二極管開關(guān)特性主要是研究其開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程所需時間的長短。Microsemi公司研制的DQ系列二極管具有超快速軟恢復(fù)等優(yōu)點(diǎn),極大地提高了晶體二極管的開關(guān)速度。

隨著技術(shù)的發(fā)展,新型的SiC肖特基勢壘二極管與采用Si或GaAS技術(shù)的傳統(tǒng)功率二極管相比,SiC肖特基二極管(SiC-SBD)可大幅降低開關(guān)損耗并提高開關(guān)頻率。在AM-LCD中,用C60制作的勢壘二極管作為有源矩陣的開關(guān),其工作速度也很快。作為開關(guān)器件使用時,其由開到關(guān)或由關(guān)到開所需時間越短越好,因此,對于晶體二極管開關(guān)速度快慢的原因需要進(jìn)行認(rèn)真分析探討。在此基礎(chǔ)上通過簡明的實(shí)驗(yàn)電路,依據(jù)晶體二極管的參數(shù)選擇合適的脈沖信號和負(fù)載,能夠很清楚地觀察到二極管開關(guān)轉(zhuǎn)換過程時間的延遲。

二極管開關(guān)特性

在數(shù)字電子技術(shù)門電路中,在脈沖信號的作用下,二極管時而導(dǎo)通,時而截止,相當(dāng)于開關(guān)的“接通”和“關(guān)斷”。二極管由截止到開通所用的時間稱為開通時間,由開通到截止所用的時間稱為關(guān)斷時間。研究其開關(guān)特性,就是分析導(dǎo)通和截止轉(zhuǎn)換快慢的問題,當(dāng)脈沖信號頻率很高時,開關(guān)狀態(tài)變化的速率就高。作為一種開關(guān)器件,其開關(guān)的速度越快越好,但是二極管是由硅或鍺等半導(dǎo)體材料通過特殊工藝制成的電子器件,有一個最高極限工作速度,當(dāng)開關(guān)速度大于極限工作速度,二極管就不能正常工作。要使二極管安全可靠快速地工作,外界的脈沖信號高低電平的轉(zhuǎn)換頻率要小于二極管開關(guān)的頻率。

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如圖1所示,輸入端施加一脈沖信號Vi,其幅值為+V1和-V2。當(dāng)加在二極管兩端的電壓為+V1,二極管導(dǎo)通;當(dāng)加在二極管兩端的電壓為-V2,二極管截止,輸入、輸出波形如圖2所示。二極管兩端的電壓由正向偏置+V1變?yōu)榉聪蚱?V2時,二極管并不瞬時截止,而是維持一段時間ts后,電流才開始減小,再經(jīng)tf后,反向電流才等于靜態(tài)特性上的反向漂移電流I0,其值很小。ts稱為存貯時間,tf稱為下降時間,ts+tf=trr稱為關(guān)斷時間。二極管兩端的電壓由反向偏置-V2變?yōu)檎蚱?V1時,二極管也不是瞬時導(dǎo)通,而是經(jīng)過導(dǎo)通延遲時間和上升時間后才穩(wěn)定導(dǎo)通,這段時間稱為開通時間。顯然二極管的導(dǎo)通和截止時刻總是滯后加于其兩端高、低電平的時刻。二極管從截止轉(zhuǎn)為正向?qū)ǖ拈_通時間,與從導(dǎo)通轉(zhuǎn)向截止時的關(guān)斷時間相比很小,其對開關(guān)速度的影響很小,在分析討論中主要考慮關(guān)斷時間的影響。

二極管開關(guān)時間延遲原因分析

在半導(dǎo)體中存在兩種電流,因載流子濃度不同形成的電流為擴(kuò)散電流,依靠電場作用形成的電流為漂移電流。當(dāng)把P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體靠近,在兩種半導(dǎo)體的接觸處,因?yàn)檩d流子濃度差就會產(chǎn)生按指數(shù)規(guī)律衰減的擴(kuò)散運(yùn)動。在擴(kuò)散過程中,電子和空穴相遇就會復(fù)合,在交界處產(chǎn)生內(nèi)電場,內(nèi)電場會阻止擴(kuò)散運(yùn)動的進(jìn)行,而促進(jìn)漂移運(yùn)動,最終,擴(kuò)散運(yùn)動和漂移運(yùn)動達(dá)到動態(tài)平衡。當(dāng)二極管兩端外加電壓發(fā)生變化時,一方面PN結(jié)寬窄變化,勢壘區(qū)內(nèi)的施主陰離子和受主陽離子數(shù)量會改變;另一方面擴(kuò)散的多子和漂移的少子數(shù)量也會因電壓變化而改變。這種情況與電容的作用類似,分別用勢壘電容和擴(kuò)散電容來表示。

當(dāng)二極管兩端外加正向電壓時,它削弱PN結(jié)的內(nèi)電場,擴(kuò)散運(yùn)動加強(qiáng),漂移運(yùn)動減弱,擴(kuò)散和漂移的動態(tài)平衡被破壞,擴(kuò)散運(yùn)動大于漂移運(yùn)動,結(jié)果導(dǎo)致P區(qū)的多子空穴流向N區(qū),N區(qū)的多子電子流向P區(qū),進(jìn)入P區(qū)的電子和進(jìn)入N區(qū)的空穴分別成為該區(qū)的少子,因此,在P區(qū)和N區(qū)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。在正向電壓作用下,P區(qū)空穴越過PN結(jié),在N區(qū)的邊界上進(jìn)行積累,N區(qū)電子越過PN結(jié),在P區(qū)的邊界上進(jìn)行積累,這些非平衡少子依靠積累時濃度差在N區(qū)進(jìn)行擴(kuò)散,形成一定的濃度梯度發(fā)布,靠近邊界濃度高,遠(yuǎn)離邊界濃度低??昭ㄔ谙騈區(qū)擴(kuò)散過程中,部分與N區(qū)中的多子電子相遇而復(fù)合,距離PN結(jié)邊界越遠(yuǎn),復(fù)合掉的空穴就越多。反之亦然,電子在向P區(qū)擴(kuò)散過程中,部分電子與P區(qū)中的多子空穴相遇而復(fù)合,距離PN結(jié)邊界越遠(yuǎn),復(fù)合掉的電子就越多。二極管正向?qū)〞r,非平衡少數(shù)載流子就會在邊界附近積累,產(chǎn)生電荷存儲效應(yīng)。

當(dāng)輸入電壓突然由高電平變?yōu)榈碗娖綍r,P區(qū)存儲的電子、N區(qū)存儲的空穴不會瞬時消失,而是通過兩個途徑逐漸減少。首先在反向電場作用下,P區(qū)電子被拉回N區(qū),N區(qū)空穴被拉回P區(qū),形成反向漂移電流I0。其次與多數(shù)載流子復(fù)合而消失。在這些存儲電荷突然消失之前,PN結(jié)勢壘區(qū)寬度不變,仍然很窄,所以此時反向電流較大并基本上保持不變,還要持續(xù)一段時間后,P區(qū)和N區(qū)所存儲的電荷已明顯減少,勢壘區(qū)才逐漸變寬,再經(jīng)過一段下降時間,反向電流逐漸減小到正常反向飽和電流的數(shù)值I0,二極管截止,因此二極管關(guān)斷時間又稱為反向恢復(fù)時間。當(dāng)輸入電壓突然由低電平變?yōu)楦唠娖綍r,PN結(jié)將由寬變窄,勢壘電容放電后二極管才會導(dǎo)通,導(dǎo)通時間比關(guān)斷很短,可以忽略,流過二極管的電流隨擴(kuò)散存儲電荷的增加而增加,逐步達(dá)到穩(wěn)定值。

二極管在開關(guān)轉(zhuǎn)換過程中出現(xiàn)的開關(guān)時間延遲,實(shí)質(zhì)上是由于PN結(jié)的電容效應(yīng)所引起,二極管的暫態(tài)開關(guān)過程就是PN結(jié)電容的充、放電過程。二極管由截止過渡到導(dǎo)通,相當(dāng)于電容充電。二極管由導(dǎo)通過渡到截止,相當(dāng)于電容放電。二極管結(jié)電容小,充、放電時間短,過渡過程短,則二極管的暫態(tài)開關(guān)特性就好,開關(guān)速度就快。延遲時間就是電容充放電荷所需要的時間,延遲時間的長短既決定于二極管本身的結(jié)構(gòu),也與外部電路有關(guān)。二極管PN結(jié)面積大,管內(nèi)存儲電荷就多,延遲時間就長。此外,外部電路所決定的正向電流大,存儲電荷就會多,則關(guān)斷時間就大;反向電流大,存儲電荷消失得就快,則關(guān)斷時間就小。為了提高開關(guān)速度,降低延遲時間,一般開關(guān)管結(jié)面積制作得比較小,使其存儲電荷少,同時通過二極管內(nèi)部的“摻金”,可以使存儲電荷很快復(fù)合而消失,減小延遲時間。

晶體二極管開關(guān)轉(zhuǎn)換過程實(shí)驗(yàn)觀察

為了觀察二極管的開關(guān)特性,可以按照圖1所示電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。首先確定加于二極管兩端的脈沖信號,其幅值和周期要合適,否則,就可能花費(fèi)很長時間去調(diào)試才能觀察到二極管的開關(guān)過程時間的延遲,還有可能導(dǎo)致二極管損壞。選擇脈沖信號要根據(jù)二極管的主要工作參數(shù),如二極管最大正向工作電流,二極管最大反向工作電壓,反向恢復(fù)時間等。依據(jù)這些參數(shù),確定脈沖信號的幅值。信號周期的選擇一定要大于反向恢復(fù)時間trr,選取一定的負(fù)載連接電路,通過雙蹤示波器來觀察二極管開關(guān)轉(zhuǎn)換時間的延遲,分別改變信號周期和負(fù)載,記錄多次的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,進(jìn)一步分析二極管開關(guān)轉(zhuǎn)換過程延遲時間隨脈沖信號周期和外部負(fù)載變化的關(guān)系。延遲時間對于二極管結(jié)面積和負(fù)載電阻均存在極小值,在設(shè)計開關(guān)電路時,二極管結(jié)面積和負(fù)載電阻應(yīng)該選取該極值點(diǎn)對應(yīng)的最佳值,N區(qū)長度也存在最佳值,理論上應(yīng)為器件加載在所需臨界擊穿電壓值而且剛好處于穿通狀態(tài)時的長度值;P區(qū)和N區(qū)的長度沒有太大的影響,但應(yīng)稍大于各自的穿通長度,濃度則應(yīng)盡量高,N區(qū)摻雜濃度越低越好。

晶體二極管的結(jié)構(gòu)決定了其作為開關(guān)使用時的特性,其在數(shù)字電子技術(shù)門電路中門的打開和關(guān)閉時需要一段時間,不同結(jié)構(gòu)的管子其時間的長短是有差別的。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的快速發(fā)展,要求晶體二極管的開關(guān)速度越來越快,因此,對器件結(jié)構(gòu)和工作電路的設(shè)計要求也越來越高,在研究晶體二極管開關(guān)時間的延遲過程的實(shí)驗(yàn)中,輸入信號的周期、幅度、電路負(fù)載對延遲時間的觀察影響較大,一定的開關(guān)電路只有多次的實(shí)驗(yàn),才能清楚地觀察到二極管的開關(guān)轉(zhuǎn)換過程時間的延遲。
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