PN結的瞬態(tài)特性

1、精心整理PN結的瞬態(tài)特性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,翻開的瞬間應立即出現(xiàn)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(shù)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).瞬態(tài)電流響應(b).瞬態(tài)電壓-

2、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(shù)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(shù)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(nèi)部將有存儲電荷的積累.二、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?正偏時,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(jīng)過一個較大的恒定反向電流 Ir階段,最后,再逐漸 衰減到反向飽和電流I S.2.1瞬態(tài)

3、響應精心整理圖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 I r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(jīng)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(nèi)有等量的 過剩電子和空穴電荷的存儲.忽然反

4、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(jīng)過一定的時間,p-n結才能到達反偏狀態(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(shù)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(shù)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lr產(chǎn)生,開始進行少子抽取.曲線tl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I -變?yōu)?,這期間反向電流lr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

5、電壓逐漸變?yōu)榉雌妷?電流到達反向飽和電流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Q2.3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 向恢復時間的因素精心整理exp -1 exp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:APn X 二 Pno由此可得正向穩(wěn)態(tài)時Q與I f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I r的抽取和空穴的復合.代入初始條件：當t=0時

6、,Q(0)= T pIf,那么此微分方程的解為：由t=ts時,Q(ts)=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T 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 P0,ts二Pn0 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>>L時:t +ts(2)當材料長度W<<L時:ts trW22Dp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If(使存貯電荷Q=T pI f盡可能小) 和盡量大的lr(可加快對Q的抽取).(2) 從器件本身,應降低少子壽命T p,這樣一方面可減少正向時的存儲電荷 Q=t pIf, 同時可加快反向時電荷的復合.通?？梢圆捎脫浇?、摻鉑、中子輻照或電子輻照等 方法來引入復合中央,從而使T p減小 精心整理(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