晶體二極管開關(guān)轉(zhuǎn)換過程分析

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)特性實驗中，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，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行認真分析探討。在此基礎(chǔ)上通過簡明的實驗電路，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。

如圖1所示，輸入端施加一脈沖信號Vi，其幅值為+V1和-V2。當加在二極管兩端的電壓為+V1，二極管導(dǎo)通；當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。