晶體二極管開關(guān)轉(zhuǎn)換過程分析

摘 要:晶體二極管結(jié)構(gòu)決定了其開關(guān)特性，在脈沖信號(hào)作用下晶體二極管由導(dǎo)通到截止和由截止到導(dǎo)通的轉(zhuǎn)換過程會(huì)產(chǎn)生時(shí)間上的延遲，為了清楚觀察輸出信號(hào)開關(guān)隨輸入信號(hào)開關(guān)時(shí)間上的延遲，在開關(guān)電路中需要輸入一定幅值、周期的脈沖信號(hào)。通過實(shí)驗(yàn)可以清楚直觀地觀察到二極管開關(guān)轉(zhuǎn)換過程時(shí)間的延遲，進(jìn)一步加深對(duì)晶體二極管開關(guān)特性的理解和認(rèn)識(shí)。

關(guān)鍵詞:二極管; 開關(guān)特性; 延遲; 脈沖

中圖分類號(hào):TM13 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)09-0202-03

Crystal Diode Switch Switching Process Analysis

ZHANG Wu-qin1，2

(1.College of Electrical Engineering， Zhengzhou University， Zhengzhou 450001， China;

2.Department of Physics， Zhengzhou Teachers College， Zhengzhou 450044， China)

Abstract: The structure of the crystal diode determines its switching characteristics of the diode under the action of pulse signal from the conduction to the cut-off. By the deadline to turn in the conversion process the diode produces a time delay. In order to clearly observe the time delay of the output signal switch which viariates with the input signal switching time， a certain amplitude (the cyclic pulse signal) should be entered to the switching circuit. The time delay of the switch convertion precess can be visually observed through experiments. Therefore， the understanding to the diode switching characteristics and awareness can be further deepened.

Keywords:diode; switching characteristics; delay; pulse

0 引 言

晶體二極管開關(guān)電路在數(shù)字系統(tǒng)和自動(dòng)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(shí)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(shí)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[1]。隨著技術(shù)的發(fā)展，新型的SiC肖特基勢(shì)壘二極管[2]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[2-3]。在 AM-LCD中，用C60制作的勢(shì)壘二極管作為有源矩陣的開關(guān)，其工作速度也很快[4]。作為開關(guān)器件使用時(shí)，其由開到關(guān)或由關(guān)到開所需時(shí)間越短越好，因此，對(duì)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(jiǎn)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(hào)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(shí)間的延遲。

1 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(hào)的作用下，二極管時(shí)而導(dǎo)通，時(shí)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(shí)間稱為開通時(shí)間，由開通到截止所用的時(shí)間稱為關(guān)斷時(shí)間[5]。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(hào)頻率很高時(shí)，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(gè)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(hào)高低電平的轉(zhuǎn)換頻率要小于二極管開關(guān)的頻率。

如圖1所示，輸入端施加一脈沖信號(hào)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(shí)，二極管并不瞬時(shí)截止，而是維持一段時(shí)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Io，其值很小。ts稱為存貯時(shí)間，tf稱為下降時(shí)間，ts+tf=trr稱為關(guān)斷時(shí)間。二極管兩端的電壓由反向偏置-V2變?yōu)檎蚱?V1時(shí)，二極管也不是瞬時(shí)導(dǎo)通，而是經(jīng)過導(dǎo)通延遲時(shí)間和上升時(shí)間后才穩(wěn)定導(dǎo)通，這段時(shí)間稱為開通時(shí)間。顯然二極管的導(dǎo)通和截止時(shí)刻總是滯后加于其兩端高、低電平的時(shí)刻。二極管從截止轉(zhuǎn)為正向?qū)ǖ拈_通時(shí)間，與從導(dǎo)通轉(zhuǎn)向截止時(shí)的關(guān)斷時(shí)間相比很小，其對(duì)開關(guān)速度的影響很小，在分析討論中主要考慮關(guān)斷時(shí)間的影響。

圖1 二極管開關(guān)電路

圖2 二極管開關(guān)電路輸入、輸出波形圖

2 二極管開關(guān)時(shí)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(chǎng)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(huì)產(chǎn)生按指數(shù)規(guī)律衰減的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。在擴(kuò)散過程中，電子和空穴相遇就會(huì)復(fù)合，在交界處產(chǎn)生內(nèi)電場(chǎng)，內(nèi)電場(chǎng)會(huì)阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，而促進(jìn)漂移運(yùn)動(dòng)，最終，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡[6]。當(dāng)二極管兩端外加電壓發(fā)生變化時(shí)，一方面PN結(jié)寬窄變化，勢(shì)壘區(qū)內(nèi)的施主陰離子和受主陽離子數(shù)量會(huì)改變;另一方面擴(kuò)散的多子和漂移的少子數(shù)量也會(huì)因電壓變化而改變。這種情況與電容的作用類似，分別用勢(shì)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(shí)，它削弱PN結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，漂移運(yùn)動(dòng)減弱，擴(kuò)散和漂移的動(dòng)態(tài)平衡被破壞，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)大于漂移運(yùn)動(dòng)，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(shí)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(shí)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。空穴在向N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[7]。二極管正向?qū)〞r(shí)，非平衡少數(shù)載流子就會(huì)在邊界附近積累，產(chǎn)生電荷存儲(chǔ)效應(yīng)。

當(dāng)輸入電壓突然由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，P區(qū)存儲(chǔ)的電子、N區(qū)存儲(chǔ)的空穴不會(huì)瞬時(shí)消失，而是通過兩個(gè)途徑逐漸減少。首先在反向電場(chǎng)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Io。其次與多數(shù)載流子復(fù)合而消失。 在這些存儲(chǔ)電荷突然消失之前，PN結(jié)勢(shì)壘區(qū)寬度不變，仍然很窄，所以此時(shí)反向電流較大并基本上保持不變，還要持續(xù)一段時(shí)間后，P區(qū)和N區(qū)所存儲(chǔ)的電荷已明顯減少，勢(shì)壘區(qū)才逐漸變寬，再經(jīng)過一段下降時(shí)間，反向電流逐漸減小到正常反向飽和電流的數(shù)值Io，二極管截止，因此二極管關(guān)斷時(shí)間又稱為反向恢復(fù)時(shí)間。當(dāng)輸入電壓突然由低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，PN結(jié)將由寬變窄，勢(shì)壘電容放電后二極管才會(huì)導(dǎo)通，導(dǎo)通時(shí)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(chǔ)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(shí)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(shí)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(shí)間就是電容充放電荷所需要的時(shí)間，延遲時(shí)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(chǔ)電荷就多，延遲時(shí)間就長。此外，外部電路所決定的正向電流大，存儲(chǔ)電荷就會(huì)多，則關(guān)斷時(shí)間就大;反向電流大，存儲(chǔ)電荷消失得就快，則關(guān)斷時(shí)間就小。為了提高開關(guān)速度，降低延遲時(shí)間，一般開關(guān)管結(jié)面積制作得比較小，使其存儲(chǔ)電荷少，同時(shí)通過二極管內(nèi)部的“摻金”，可以使存儲(chǔ)電荷很快復(fù)合而消失，減小延遲時(shí)間[8]。

3 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?qǐng)D1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(hào)，其幅值和周期要合適，否則，就可能花費(fèi)很長時(shí)間去調(diào)試才能觀察到二極管的開關(guān)過程時(shí)間的延遲，還有可能導(dǎo)致二極管損壞。選擇脈沖信號(hào)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(shí)間等。依據(jù)這些參數(shù)，確定脈沖信號(hào)的幅值。信號(hào)周期的選擇一定要大于反向恢復(fù)時(shí)間trr，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(shí)間的延遲，分別改變信號(hào)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(shí)間隨脈沖信號(hào)周期和外部負(fù)載變化的關(guān)系[9]。延遲時(shí)間對(duì)于二極管結(jié)面積和負(fù)載電阻均存在極小值，在設(shè)計(jì)開關(guān)電路時(shí)，二極管結(jié)面積和負(fù)載電阻應(yīng)該選取該極值點(diǎn)對(duì)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(shí)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[10]。

4 結(jié) 語

晶體二極管的結(jié)構(gòu)決定了其作為開關(guān)使用時(shí)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(shí)需要一段時(shí)間，不同結(jié)構(gòu)的管子其時(shí)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(duì)器件結(jié)構(gòu)和工作電路的設(shè)計(jì)要求也越來越高，在研究晶體二極管開關(guān)時(shí)間的延遲過程的實(shí)驗(yàn)中，輸入信號(hào)的周期、幅度、電路負(fù)載對(duì)延遲時(shí)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(shí)間的延遲。

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