晶體二極管開關(guān)電源轉(zhuǎn)換過程分析
0 引言
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(rèn)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(fù)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。
l 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(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(dāng)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(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(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，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。
2 二極管開關(guān)時間延遲原因分析
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，因為載流子濃度差就會產(chǎn)生按指數(shù)規(guī)律衰減的擴散運動。在擴散過程中，電子和空穴相遇就會復(fù)合，在交界處產(chǎn)生內(nèi)電場，內(nèi)電場會阻止擴散運動的進行，而促進漂移運動，最終，擴散運動和漂移運動達到動態(tài)平衡。當(dāng)二極管兩端外加電壓發(fā)生變化時，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)量會改變；另一方面擴散的多子和漂移的少子數(shù)量也會因電壓變化而改變。這種情況與電容的作用類似，分別用勢壘電容和擴散電容來表示。當(dāng)二極管兩端外加正向電壓時，它削弱PN結(jié)的內(nèi)電場，擴散運動加強，漂移運動減弱，擴散和漂移的動態(tài)平衡被破壞，擴散運動大于漂移運動，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)，進入P區(qū)的電子和進入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)的邊界上進行積累，N區(qū)電子越過PN結(jié)，在P區(qū)的邊界上進行積累，這些非平衡少子依靠積累時濃度差在N區(qū)進行擴散，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。空穴在向N區(qū)擴散過程中，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，復(fù)合掉的空穴就越多。反之亦然，電子在向P區(qū)擴散過程中，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，復(fù)合掉的電子就越多。二極管正向?qū)〞r，非平衡少數(shù)載流子就會在邊界附近積累，產(chǎn)生電荷存儲效應(yīng)。
當(dāng)輸入電壓突然由高電平變?yōu)榈碗娖綍r，P區(qū)存儲的電子、N區(qū)存儲的空穴不會瞬時消失，而是通過兩個途徑逐漸減少。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，所以此時反向電流較大并基本上保持不變，還要持續(xù)一段時間后，P區(qū)和N區(qū)所存儲的電荷已明顯減少，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)斷時間又稱為反向恢復(fù)時間。當(dāng)輸入電壓突然由低電平變?yōu)楦唠娖綍r，PN結(jié)將由寬變窄，勢壘電容放電后二極管才會導(dǎo)通，導(dǎo)通時間比關(guān)斷很短，可以忽略，流過二極管的電流隨擴散存儲電荷的增加而增加，逐步達到穩(wěn)定值。
二極管在開關(guān)轉(zhuǎn)換過程中出現(xiàn)的開關(guān)時間延遲，實質(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。延遲時間就是電容充放電荷所需要的時間，延遲時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)存儲電荷就多，延遲時間就長。此外，外部電路所決定的正向電流大，存儲電荷就會多，則關(guān)斷時間就大；反向電流大，存儲電荷消失得就快，則關(guān)斷時間就小。為了提高開關(guān)速度，降低延遲時間，一般開關(guān)管結(jié)面積制作得比較小，使其存儲電荷少，同時通過二極管內(nèi)部的“摻金”，可以使存儲電荷很快復(fù)合而消失，減小延遲時間。
3 晶體二極管開關(guān)轉(zhuǎn)換過程實驗觀察
為了觀察二極管的開關(guān)特性，可以按照圖1所示電路進行實驗。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，就可能花費很長時間去調(diào)試才能觀察到二極管的開關(guān)過程時間的延遲，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)換時間的延遲，分別改變信號周期和負(fù)載，記錄多次的實驗結(jié)果，進一步分析二極管開關(guān)轉(zhuǎn)換過程延遲時間隨脈沖信號周期和外部負(fù)載變化的關(guān)系。延遲時間對于二極管結(jié)面積和負(fù)載電阻均存在極小值，在設(shè)計開關(guān)電路時，二極管結(jié)面積和負(fù)載電阻應(yīng)該選取該極值點對應(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。
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)閉時需要一段時間，不同結(jié)構(gòu)的管子其時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)計要求也越來越高，在研究晶體二極管開關(guān)時間的延遲過程的實驗中，輸入信號的周期、幅度、電路負(fù)載對延遲時間的觀察影響較大，一定的開關(guān)電路只有多次的實驗，才能清楚地觀察到二極管的開關(guān)轉(zhuǎn)換過程時間的延遲。
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