晶體二極管開關電源轉換過程分析
0 引言
晶體二極管開關電路在數字系統和自動化系統里應用很廣泛，在晶體二極管開關特性實驗中，其開關轉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特性主要是研究其開關狀態轉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等優點，極大地提高了晶體二極管的開關速度。隨著技術的發展，新型的SiC肖特基勢壘二極管與采用Si或GaAS技術的傳統功率二極管相比，SiC肖特基二極管(SiC-SBD)可大幅降低開關損耗并提高開關頻率。在AM-LCD中，用C60制作的勢壘二極管作為有源矩陣的開關，其工作速度也很快。作為開關器件使用時，其由開到關或由關到開所需時間越短越好，因此，對于晶體二極管開關速度快慢的原因需要進行認真分析探討。在此基礎上通過簡明的實驗電路，依據晶體二極管的參數選擇合適的脈沖信號和負載，能夠很清楚地觀察到二極管開關轉換過程時間的延遲。
l 二極管開關特性
在數字電子技術門電路中，在脈沖信號的作用下，二極管時而導通，時而截止，相當于開關的“接通”和“關斷”。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斷時間。研究其開關特性，就是分析導通和截止轉換快慢的問題，當脈沖信號頻率很高時，開關狀態變化的速率就高。作為一種開關器件，其開關的速度越快越好，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關的頻率。
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變為反向偏置-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tf后，反向電流才等于靜態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稱為關斷時間。二極管兩端的電壓由反向偏置-V2變為正向偏置+V1時，二極管也不是瞬時導通，而是經過導通延遲時間和上升時間后才穩定導通，這段時間稱為開通時間。顯然二極管的導通和截止時刻總是滯后加于其兩端高、低電平的時刻。二極管從截止轉為正向導通的開通時間，與從導通轉向截止時的關斷時間相比很小，其對開關速度的影響很小，在分析討論中主要考慮關斷時間的影響。
2 二極管開關時間延遲原因分析
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產生按指數規律衰減的擴散運動。在擴散過程中，電子和空穴相遇就會復合，在交界處產生內電場，內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平衡。當二極管兩端外加電壓發生變化時，一方面PN結寬窄變化，勢壘區內的施主陰離子和受主陽離子數量會改變；另一方面擴散的多子和漂移的少子數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。當二極管兩端外加正向電壓時，它削弱PN結的內電場，擴散運動加強，漂移運動減弱，擴散和漂移的動態平衡被破壞，擴散運動大于漂移運動，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，進入P區的電子和進入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區空穴越過PN結，在N區的邊界上進行積累，N區電子越過PN結，在P區的邊界上進行積累，這些非平衡少子依靠積累時濃度差在N區進行擴散，形成一定的濃度梯度發布，靠近邊界濃度高，遠離邊界濃度低。空穴在向N區擴散過程中，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，非平衡少數載流子就會在邊界附近積累，產生電荷存儲效應。
當輸入電壓突然由高電平變為低電平時，P區存儲的電子、N區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，所以此時反向電流較大并基本上保持不變，還要持續一段時間后，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值I0，二極管截止，因此二極管關斷時間又稱為反向恢復時間。當輸入電壓突然由低電平變為高電平時，PN結將由寬變窄，勢壘電容放電后二極管才會導通，導通時間比關斷很短，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，逐步達到穩定值。
二極管在開關轉換過程中出現的開關時間延遲，實質上是由于PN結的電容效應所引起，二極管的暫態開關過程就是PN結電容的充、放電過程。二極管由截止過渡到導通，相當于電容充電。二極管由導通過渡到截止，相當于電容放電。二極管結電容小，充、放電時間短，過渡過程短，則二極管的暫態開關特性就好，開關速度就快。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構，也與外部電路有關。二極管PN結面積大，管內存儲電荷就多，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，則關斷時間就大；反向電流大，存儲電荷消失得就快，則關斷時間就小。為了提高開關速度，降低延遲時間，一般開關管結面積制作得比較小，使其存儲電荷少，同時通過二極管內部的“摻金”，可以使存儲電荷很快復合而消失，減小延遲時間。
3 晶體二極管開關轉換過程實驗觀察
為了觀察二極管的開關特性，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試才能觀察到二極管的開關過程時間的延遲，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間trr，選取一定的負載連接電路，通過雙蹤示波器來觀察二極管開關轉換時間的延遲，分別改變信號周期和負載，記錄多次的實驗結果，進一步分析二極管開關轉換過程延遲時間隨脈沖信號周期和外部負載變化的關系。延遲時間對于二極管結面積和負載電阻均存在極小值，在設計開關電路時，二極管結面積和負載電阻應該選取該極值點對應的最佳值，N區長度也存在最佳值，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時的長度值；P區和N區的長度沒有太大的影響，但應稍大于各自的穿通長度，濃度則應盡量高，N區摻雜濃度越低越好。
4 結語
晶體二極管的結構決定了其作為開關使用時的特性，其在數字電子技術門電路中門的打開和關閉時需要一段時間，不同結構的管子其時間的長短是有差別的。隨著現代電子技術的快速發展，要求晶體二極管的開關速度越來越快，因此，對器件結構和工作電路的設計要求也越來越高，在研究晶體二極管開關時間的延遲過程的實驗中，輸入信號的周期、幅度、電路負載對延遲時間的觀察影響較大，一定的開關電路只有多次的實驗，才能清楚地觀察到二極管的開關轉換過程時間的延遲。
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