PN結的瞬態(tài)特性

1、PN結的瞬態(tài)特性學號：1215022736 姓名：呂雪PN結二極管具有單向導電性，可以作為開關使用。當二極管處于正向導通狀態(tài)時，相當于開關閉合，稱為“開”狀態(tài)。當二極管處于反向截止狀態(tài)時，相當于開關斷開，稱為“關”狀態(tài)。理想開關應具有如下特性，直流特性和瞬態(tài)特性。瞬態(tài)特性方面，打開的瞬間應立即出現穩(wěn)態(tài)電流，關斷的瞬間電流應立即消失。也就是說，從正向偏置到反向偏置或從反向偏置到正向偏置的過渡應近乎突變，過渡時間要盡可能的短。對于PN結，從反向偏置到正向偏置過渡很快，而從正向偏置到反向偏置的響應時間受限于少數載流子的存儲效應，過渡時間遠大于反向到正向偏置的過渡時間。一、瞬態(tài)開啟特性圖1. (a).

2、瞬態(tài)電流響應 (b).瞬態(tài)電壓-時間響應圖1所示為瞬態(tài)開啟時的電流響應和電壓響應，可以看出，其響應時間極其短暫。在響應的第一階段，即PN結瞬態(tài)開啟過程，只要有少數幾個少子的注入，就能使結從反偏恢復到熱平衡狀態(tài)。多數載流子也迅速再分布使耗盡區(qū)縮小到零偏的寬度。在瞬態(tài)開啟期間，PN結內部將有存儲電荷的積累。2、 瞬態(tài)關斷特性圖2. 將二極管由正偏變?yōu)榉雌暮唵坞娐穲D2所示為將二極管由正偏變?yōu)榉雌暮唵坞娐贰Ｕ珪r，有正向電流If流過PN結；然后將開關S接到右邊，加一反向偏壓，此時，通過PN結的電流并不是立即變?yōu)榉聪蝻柡碗娏鱅S，而是先經過一個較大的恒定反向電流Ir階段，最后，再逐漸衰減到反向飽和電

3、流IS。2.1瞬態(tài)響應圖3. 瞬態(tài)電流響應圖3所示為由正向偏置到反向偏置的瞬態(tài)電流響應。PN結的反向瞬變過程可分為電流恒定和電流衰減兩個階段，相應的瞬變時間分別以ts和tr表示。其中，ts稱為存儲時間，tr稱為下降時間。而trr=ts+tr即為反向恢復時間，它是恒定反向電流Ir衰減到其最大值的10%所需的時間，這一時間要比瞬態(tài)開啟時間長的多。同樣，對于電壓，PN結上的電壓也需經過存儲時間ts才變?yōu)?。2.2存儲延遲的定性分析對存儲延遲進行定性分析，從載流子運動剖析。正偏時，電子從n區(qū)注入到p區(qū)，空穴從p區(qū)注入到n區(qū)，在耗盡層邊界有少子的積累。導致p-n結內有等量的過剩電子和空穴電荷的存儲。突然

4、反向時，這些存儲電荷不能立即去除，積累電荷消除有兩種途徑：復合和漂移。都需要經過一定的時間, p-n結才能達到反偏狀態(tài)，這個時間為反向恢復時間。圖4. 耗盡區(qū)邊緣外，不同時刻少數載流子的分布圖4為PN結從正向偏置到反向偏壓過程中，耗盡區(qū)邊緣外，不同時刻少數載流子的分布。t=0時刻的曲線表示PN結外加反向電壓的一瞬間，此時，PN結仍處于正偏，結上電壓近似于開啟電壓，反向電流Ir產生，開始進行少子抽取。曲線t1到t4為存儲過程，即ts期間，耗盡區(qū)邊緣少子濃度逐漸變?yōu)槠胶馍僮訚舛?，結上電壓也變?yōu)?，這期間反向電流Ir不變。接下來的時間為下降時間，即tr期間，耗盡區(qū)邊緣少子濃度逐漸變?yōu)?，結上電壓逐漸

5、變?yōu)榉雌妷?，電流達到反向飽和電流IS。由此，得出結論，引起反向恢復過程的原因是，P-N結在正向導通期間存儲在中性區(qū)中的非平衡少子電荷Q 。2.3存儲延遲的定量分析進而，對存儲延遲進行定量分析，計算存儲時間ts和下降時間tr來探求影響反向恢復時間的因素。首先，進行存儲時間ts的計算，以P+N結為例，正向穩(wěn)態(tài)時：由此可得正向穩(wěn)態(tài)時Q與If之間有如下關系：該式為求解電荷方程的初始條件。由連續(xù)性方程得關于N區(qū)中非平衡少子電荷Q的微分方程：從上式明顯可以看出存儲電荷的消失有兩種途徑：反向電流Ir的抽取和空穴的復合。代入初始條件：當t=0時，Q(0)=pIf，則此微分方程的解為：由t=ts時，Q(ts)

6、=0，可令上式等于0，求解出ts：從上式可看出，存貯時間ts隨著If的增加而增加，隨著Ir的增加而減少，并且與p成正比。接下來，求解下降時間tr。存儲時間ts以后，空穴濃度開始減少到平衡狀態(tài)值一下，結電壓趨近于-VR，新的邊界條件成立，這個階段是初始邊界條件為的衰減階段。tr的解由超越方程給出：代入初始條件解方程，得出結果：（1） 材料長度W>>Lp時：（2） 當材料長度W<<Lp時：由此，得出減小反向恢復時間trr的方法：（1）從電路上，應采用盡量小的I f (使存貯電荷Q=p I f 盡可能小)和盡量大的I r (可加快對Q的抽取)。（2） 從器件本身，應降低少子壽命p ，這樣一方面可減少正向時的存儲電荷Q=p I f ，同時可加快反向時電荷的復合。通?？梢圆捎脫浇稹姐K、中子輻照或電子輻照等方法來引入復合中心，從而使p 減小。（3） 減薄輕摻雜一側中性區(qū)的厚度。這可以使存儲在該區(qū)的少子電荷減少。知識要點小節(jié)：掌握PN結的瞬態(tài)開啟與關斷特性、存儲時間、下降時間和反