晶體二極管開關(guān)轉(zhuǎn)換的延遲分析

1 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(guò)程中輸出與輸入存在時(shí)間上的延遲或者滯后，研究晶體二極管開關(guān)特性主要是研究其開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程所需時(shí)間的長(zhǎng)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(shì)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(shì)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(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(guò)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(guò)程時(shí)間的延遲。

2 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。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(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(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I0，其值很小。ts稱為存貯時(shí)間，tf稱為下降時(shí)間，ts+tf=trr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(guò)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。

3 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(guò)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。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(yáng)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(lái)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(wú)外加電壓時(shí)多，這些多出來(lái)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(guò)PN結(jié)，在N區(qū)的邊界上進(jìn)行積累，N區(qū)電子越過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(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(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(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(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(guò)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(guò)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(guò)程就是PN結(jié)電容的充、放電過(guò)程。二極管由截止過(guò)渡到導(dǎo)通