晶體二極管開(kāi)關(guān)電源轉換過(guò)程分析
0 引言
晶體二極管開(kāi)關(guān)電路在數字系統和自動(dòng)化系統里應用很廣泛，在晶體二極管開(kāi)關(guān)特性實(shí)驗中，其開(kāi)關(guān)轉換過(guò)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(kāi)關(guān)特性主要是研究其開(kāi)關(guān)狀態(tài)轉換過(guò)程所需時(shí)間的長(cháng)短。Microsemi公司研制的DQ系列二極管具有超快速軟恢復等優(yōu)點(diǎn)，極大地提高了晶體二極管的開(kāi)關(guān)速度。隨著(zhù)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)的傳統功率二極管相比，SiC肖特基二極管(SiC-SBD)可大幅降低開(kāi)關(guān)損耗并提高開(kāi)關(guān)頻率。在A(yíng)M-LCD中，用C60制作的勢壘二極管作為有源矩陣的開(kāi)關(guān)，其工作速度也很快。作為開(kāi)關(guān)器件使用時(shí)，其由開(kāi)到關(guān)或由關(guān)到開(kāi)所需時(shí)間越短越好，因此，對于晶體二極管開(kāi)關(guān)速度快慢的原因需要進(jìn)行認真分析探討。在此基礎上通過(guò)簡(jiǎn)明的實(shí)驗電路，依據晶體二極管的參數選擇合適的脈沖信號和負載，能夠很清楚地觀(guān)察到二極管開(kāi)關(guān)轉換過(guò)程時(shí)間的延遲。
l 二極管開(kāi)關(guān)特性
在數字電子技術(shù)門(mén)電路中，在脈沖信號的作用下，二極管時(shí)而導通，時(shí)而截止，相當于開(kāi)關(guān)的“接通”和“關(guān)斷”。二極管由截止到開(kāi)通所用的時(shí)間稱(chēng)為開(kāi)通時(shí)間，由開(kāi)通到截止所用的時(shí)間稱(chēng)為關(guān)斷時(shí)間。研究其開(kāi)關(guān)特性，就是分析導通和截止轉換快慢的問(wèn)題，當脈沖信號頻率很高時(shí)，開(kāi)關(guān)狀態(tài)變化的速率就高。作為一種開(kāi)關(guān)器件，其開(kāi)關(guān)的速度越快越好，但是二極管是由硅或鍺等半導體材料通過(guò)特殊工藝制成的電子器件，有一個(gè)最高極限工作速度，當開(kāi)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換頻率要小于二極管開(kāi)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(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(kāi)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(chēng)為存貯時(shí)間，tf稱(chēng)為下降時(shí)間，ts+tf=trr稱(chēng)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)導通，而是經(jīng)過(guò)導通延遲時(shí)間和上升時(shí)間后才穩定導通，這段時(shí)間稱(chēng)為開(kāi)通時(shí)間。顯然二極管的導通和截止時(shí)刻總是滯后加于其兩端高、低電平的時(shí)刻。二極管從截止轉為正向導通的開(kāi)通時(shí)間，與從導通轉向截止時(shí)的關(guān)斷時(shí)間相比很小，其對開(kāi)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。
2 二極管開(kāi)關(guān)時(shí)間延遲原因分析
在半導體中存在兩種電流，因載流子濃度不同形成的電流為擴散電流，依靠電場(chǎng)作用形成的電流為漂移電流。當把P型半導體和N型半導體靠近，在兩種半導體的接觸處，因為載流子濃度差就會(huì )產(chǎn)生按指數規律衰減的擴散運動(dòng)。在擴散過(guò)程中，電子和空穴相遇就會(huì )復合，在交界處產(chǎn)生內電場(chǎng)，內電場(chǎng)會(huì )阻止擴散運動(dòng)的進(jìn)行，而促進(jìn)漂移運動(dòng)，最終，擴散運動(dòng)和漂移運動(dòng)達到動(dòng)態(tài)平衡。當二極管兩端外加電壓發(fā)生變化時(shí)，一方面PN結寬窄變化，勢壘區內的施主陰離子和受主陽(yáng)離子數量會(huì )改變；另一方面擴散的多子和漂移的少子數量也會(huì )因電壓變化而改變。這種情況與電容的作用類(lèi)似，分別用勢壘電容和擴散電容來(lái)表示。當二極管兩端外加正向電壓時(shí)，它削弱PN結的內電場(chǎng)，擴散運動(dòng)加強，漂移運動(dòng)減弱，擴散和漂移的動(dòng)態(tài)平衡被破壞，擴散運動(dòng)大于漂移運動(dòng)，結果導致P區的多子空穴流向N區，N區的多子電子流向P區，進(jìn)入P區的電子和進(jìn)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(wú)外加電壓時(shí)多，這些多出來(lái)的少子稱(chēng)為非平衡少子。在正向電壓作用下，P區空穴越過(guò)PN結，在N區的邊界上進(jìn)行積累，N區電子越過(guò)PN結，在P區的邊界上進(jìn)行積累，這些非平衡少子依靠積累時(shí)濃度差在N區進(jìn)行擴散，形成一定的濃度梯度發(fā)布，靠近邊界濃度高，遠離邊界濃度低�？昭ㄔ谙騈區擴散過(guò)程中，部分與N區中的多子電子相遇而復合，距離PN結邊界越遠，復合掉的空穴就越多。反之亦然，電子在向P區擴散過(guò)程中，部分電子與P區中的多子空穴相遇而復合，距離PN結邊界越遠，復合掉的電子就越多。二極管正向導通時(shí)，非平衡少數載流子就會(huì )在邊界附近積累，產(chǎn)生電荷存儲效應。
當輸入電壓突然由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，P區存儲的電子、N區存儲的空穴不會(huì )瞬時(shí)消失，而是通過(guò)兩個(gè)途徑逐漸減少。首先在反向電場(chǎng)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I0。其次與多數載流子復合而消失。在這些存儲電荷突然消失之前，PN結勢壘區寬度不變，仍然很窄，所以此時(shí)反向電流較大并基本上保持不變，還要持續一段時(shí)間后，P區和N區所存儲的電荷已明顯減少，勢壘區才逐漸變寬，再經(jīng)過(guò)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值I0，二極管截止，因此二極管關(guān)斷時(shí)間又稱(chēng)為反向恢復時(shí)間。當輸入電壓突然由低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，PN結將由寬變窄，勢壘電容放電后二極管才會(huì )導通，導通時(shí)間比關(guān)斷很短，可以忽略，流過(guò)二極管的電流隨擴散存儲電荷的增加而增加，逐步達到穩定值。
二極管在開(kāi)關(guān)轉換過(guò)程中出現的開(kāi)關(guān)時(shí)間延遲，實(shí)質(zhì)上是由于PN結的電容效應所引起，二極管的暫態(tài)開(kāi)關(guān)過(guò)程就是PN結電容的充、放電過(guò)程。二極管由截止過(guò)渡到導通，相當于電容充電。二極管由導通過(guò)渡到截止，相當于電容放電。二極管結電容小，充、放電時(shí)間短，過(guò)渡過(guò)程短，則二極管的暫態(tài)開(kāi)關(guān)特性就好，開(kāi)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(cháng)短既決定于二極管本身的結構，也與外部電路有關(guān)。二極管PN結面積大，管內存儲電荷就多，延遲時(shí)間就長(cháng)。此外，外部電路所決定的正向電流大，存儲電荷就會(huì )多，則關(guān)斷時(shí)間就大；反向電流大，存儲電荷消失得就快，則關(guān)斷時(shí)間就小。為了提高開(kāi)關(guān)速度，降低延遲時(shí)間，一般開(kāi)關(guān)管結面積制作得比較小，使其存儲電荷少，同時(shí)通過(guò)二極管內部的“摻金”，可以使存儲電荷很快復合而消失，減小延遲時(shí)間。
3 晶體二極管開(kāi)關(guān)轉換過(guò)程實(shí)驗觀(guān)察
為了觀(guān)察二極管的開(kāi)關(guān)特性，可以按照圖1所示電路進(jìn)行實(shí)驗。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，就可能花費很長(cháng)時(shí)間去調試才能觀(guān)察到二極管的開(kāi)關(guān)過(guò)程時(shí)間的延遲，還有可能導致二極管損壞。選擇脈沖信號要根據二極管的主要工作參數，如二極管最大正向工作電流，二極管最大反向工作電壓，反向恢復時(shí)間等。依據這些參數，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時(shí)間trr，選取一定的負載連接電路，通過(guò)雙蹤示波器來(lái)觀(guān)察二極管開(kāi)關(guān)轉換時(shí)間的延遲，分別改變信號周期和負載，記錄多次的實(shí)驗結果，進(jìn)一步分析二極管開(kāi)關(guān)轉換過(guò)程延遲時(shí)間隨脈沖信號周期和外部負載變化的關(guān)系。延遲時(shí)間對于二極管結面積和負載電阻均存在極小值，在設計開(kāi)關(guān)電路時(shí)，二極管結面積和負載電阻應該選取該極值點(diǎn)對應的最佳值，N區長(cháng)度也存在最佳值，理論上應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(cháng)度值；P區和N區的長(cháng)度沒(méi)有太大的影響，但應稍大于各自的穿通長(cháng)度，濃度則應盡量高，N區摻雜濃度越低越好。
4 結語(yǔ)
晶體二極管的結構決定了其作為開(kāi)關(guān)使用時(shí)的特性，其在數字電子技術(shù)門(mén)電路中門(mén)的打開(kāi)和關(guān)閉時(shí)需要一段時(shí)間，不同結構的管子其時(shí)間的長(cháng)短是有差別的。隨著(zhù)現代電子技術(shù)的快速發(fā)展，要求晶體二極管的開(kāi)關(guān)速度越來(lái)越快，因此，對器件結構和工作電路的設計要求也越來(lái)越高，在研究晶體二極管開(kāi)關(guān)時(shí)間的延遲過(guò)程的實(shí)驗中，輸入信號的周期、幅度、電路負載對延遲時(shí)間的觀(guān)察影響較大，一定的開(kāi)關(guān)電路只有多次的實(shí)驗，才能清楚地觀(guān)察到二極管的開(kāi)關(guān)轉換過(guò)程時(shí)間的延遲。
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