晶體二極管開關(guān)轉(zhuǎn)換過程分析

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，內(nèi)電場會(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。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，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?？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(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(chǔ)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(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I0，二極管截止，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。

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(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)，確定脈沖信號的幅值。信號周期的選擇一定要大于反向恢復(fù)時(shí)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(shí)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(shí)間隨脈沖信號周期和外部負(fù)載變化的關(guān)系。延遲時(shí)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(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。

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，輸入信號的周期、幅度、電路負(fù)載對延遲時(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。