PN結(jié)的瞬態(tài)特性

1、PN結(jié)的瞬態(tài)特性學(xué)號：1215022736 姓名：呂雪PN結(jié)二極管具有單向?qū)щ娦?，可以作為開關(guān)使用。當(dāng)二極管處于正向?qū)顟B(tài)時(shí)，相當(dāng)于開關(guān)閉合，稱為“開”狀態(tài)。當(dāng)二極管處于反向截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，相當(dāng)于開關(guān)斷開，稱為“關(guān)”狀態(tài)。理想開關(guān)應(yīng)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(yīng)立即出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)電流，關(guān)斷的瞬間電流應(yīng)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(yīng)近乎突變，過渡時(shí)間要盡可能的短。對于PN結(jié)，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(yīng)時(shí)間受限于少數(shù)載流子的存儲效應(yīng)，過渡時(shí)間遠(yuǎn)大于反向到正向偏置的過渡時(shí)間。一、瞬態(tài)開啟特性圖1. (a).

2、瞬態(tài)電流響應(yīng) (b).瞬態(tài)電壓-時(shí)間響應(yīng)圖1所示為瞬態(tài)開啟時(shí)的電流響應(yīng)和電壓響應(yīng)，可以看出，其響應(yīng)時(shí)間極其短暫。在響應(yīng)的第一階段，即PN結(jié)瞬態(tài)開啟過程，只要有少數(shù)幾個少子的注入，就能使結(jié)從反偏恢復(fù)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(jié)內(nèi)部將有存儲電荷的積累。2、 瞬態(tài)關(guān)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(shí)，有正向電流If流過PN結(jié)；然后將開關(guān)S接到右邊，加一反向偏壓，此時(shí)，通過PN結(jié)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

3、流IS。2.1瞬態(tài)響應(yīng)圖3. 瞬態(tài)電流響應(yīng)圖3所示為由正向偏置到反向偏置的瞬態(tài)電流響應(yīng)。PN結(jié)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(yīng)的瞬變時(shí)間分別以ts和tr表示。其中，ts稱為存儲時(shí)間，tr稱為下降時(shí)間。而trr=ts+tr即為反向恢復(fù)時(shí)間，它是恒定反向電流Ir衰減到其最大值的10%所需的時(shí)間，這一時(shí)間要比瞬態(tài)開啟時(shí)間長的多。同樣，對于電壓，PN結(jié)上的電壓也需經(jīng)過存儲時(shí)間ts才變?yōu)?。2.2存儲延遲的定性分析對存儲延遲進(jìn)行定性分析，從載流子運(yùn)動剖析。正偏時(shí)，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(dǎo)致p-n結(jié)內(nèi)有等量的過剩電子和空穴電荷的存儲。突然

4、反向時(shí)，這些存儲電荷不能立即去除，積累電荷消除有兩種途徑：復(fù)合和漂移。都需要經(jīng)過一定的時(shí)間, p-n結(jié)才能達(dá)到反偏狀態(tài)，這個時(shí)間為反向恢復(fù)時(shí)間。圖4. 耗盡區(qū)邊緣外，不同時(shí)刻少數(shù)載流子的分布圖4為PN結(jié)從正向偏置到反向偏壓過程中，耗盡區(qū)邊緣外，不同時(shí)刻少數(shù)載流子的分布。t=0時(shí)刻的曲線表示PN結(jié)外加反向電壓的一瞬間，此時(shí)，PN結(jié)仍處于正偏，結(jié)上電壓近似于開啟電壓，反向電流Ir產(chǎn)生，開始進(jìn)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)槠胶馍僮訚舛龋Y(jié)上電壓也變?yōu)?，這期間反向電流Ir不變。接下來的時(shí)間為下降時(shí)間，即tr期間，耗盡區(qū)邊緣少子濃度逐漸變?yōu)?，結(jié)上電壓逐漸

5、變?yōu)榉雌妷?，電流達(dá)到反向飽和電流IS。由此，得出結(jié)論，引起反向恢復(fù)過程的原因是，P-N結(jié)在正向?qū)ㄆ陂g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(jìn)而，對存儲延遲進(jìn)行定量分析，計(jì)算存儲時(shí)間ts和下降時(shí)間tr來探求影響反向恢復(fù)時(shí)間的因素。首先，進(jìn)行存儲時(shí)間ts的計(jì)算，以P+N結(jié)為例，正向穩(wěn)態(tài)時(shí)：由此可得正向穩(wěn)態(tài)時(shí)Q與If之間有如下關(guān)系：該式為求解電荷方程的初始條件。由連續(xù)性方程得關(guān)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(fù)合。代入初始條件：當(dāng)t=0時(shí)，Q(0)=pIf，則此微分方程的解為：由t=ts時(shí)，Q(ts)

6、=0，可令上式等于0，求解出ts：從上式可看出，存貯時(shí)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(shí)間tr。存儲時(shí)間ts以后，空穴濃度開始減少到平衡狀態(tài)值一下，結(jié)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(jié)果：（1） 材料長度W>>Lp時(shí)：（2） 當(dāng)材料長度W<<Lp時(shí)：由此，得出減小反向恢復(fù)時(shí)間trr的方法：（1）從電路上，應(yīng)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(yīng)降低少子壽命p ，這樣一方面可減少正向時(shí)的存儲電荷Q=p I f ，同時(shí)可加快反向時(shí)電荷的復(fù)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(fù)合中心，從而使p 減小。（3） 減薄輕摻雜一側(cè)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(diǎn)小節(jié)：掌握PN結(jié)的瞬態(tài)開啟與關(guān)斷特性、存儲時(shí)間、下降時(shí)間和反