中心議題：

• 二極管開關特性
• 二極管開關時間延遲原因分析

解決方案：

• PN結寬窄變化
• 勢壘電容和擴散電容

晶(jing)體(ti)二(er)極(ji)管(guan)開(kai)關(guan)電(dian)路(lu)在(zai)數(shu)字(zi)係(xi)統(tong)和(he)自(zi)動(dong)化(hua)係(xi)統(tong)裏(li)應(ying)用(yong)很(hen)廣(guang)泛(fan)，在(zai)晶(jing)體(ti)二(er)極(ji)管(guan)開(kai)關(guan)特(te)性(xing)實(shi)驗(yan)中(zhong)，其(qi)開(kai)關(guan)轉(zhuan)換(huan)過(guo)程(cheng)中(zhong)輸(shu)出(chu)與(yu)輸(shu)入(ru)存(cun)在(zai)時(shi)間(jian)上(shang)的(de)延(yan)遲(chi)或(huo)者(zhe)滯(zhi)後(hou)，研(yan)究(jiu)晶(jing)體(ti)二(er)極(ji)管(guan)開(kai)關(guan)特(te)性(xing)主(zhu)要(yao)是(shi)研(yan)究(jiu)其(qi)開(kai)關(guan)狀(zhuang)態(tai)轉(zhuan)換(huan)過(guo)程(cheng)所(suo)需(xu)時(shi)間(jian)的(de)長(chang)短(duan)。Microsemi公司研製的DQ係列二極管具有超快速軟恢複等優點
，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並提高開關頻率。在AM-LCD中
，用C60製(zhi)作(zuo)的(de)勢(shi)壘(lei)二(er)極(ji)管(guan)作(zuo)為(wei)有(you)源(yuan)矩(ju)陣(zhen)的(de)開(kai)關(guan)
，其(qi)工(gong)作(zuo)速(su)度(du)也(ye)很(hen)快(kuai)。作(zuo)為(wei)開(kai)關(guan)器(qi)件(jian)使(shi)用(yong)時(shi)，其(qi)由(you)開(kai)到(dao)關(guan)或(huo)由(you)關(guan)到(dao)開(kai)所(suo)需(xu)時(shi)間(jian)越(yue)短(duan)越(yue)好(hao)，因(yin)此(ci)
，對(dui)於(yu)晶(jing)體(ti)二(er)極(ji)管(guan)開(kai)關(guan)速(su)度(du)快(kuai)慢(man)的(de)原(yuan)因(yin)需(xu)要(yao)進(jin)行(xing)認(ren)真(zhen)分(fen)析(xi)探(tan)討(tao)。在(zai)此(ci)基(ji)礎(chu)上(shang)通(tong)過(guo)簡(jian)明(ming)的(de)實(shi)驗(yan)電(dian)路(lu)，依(yi)據(ju)晶(jing)體(ti)二(er)極(ji)管(guan)的(de)參(can)數(shu)選(xuan)擇(ze)合(he)適(shi)的(de)脈(mai)衝(chong)信(xin)號(hao)和(he)負(fu)載(zai)
，能(neng)夠(gou)很(hen)清(qing)楚(chu)地(di)觀(guan)察(cha)到(dao)二(er)極(ji)管(guan)開(kai)關(guan)轉(zhuan)換(huan)過(guo)程(cheng)時(shi)間(jian)的(de)延(yan)遲(chi)。

二極管開關特性

在數字電子技術門電路中


，在脈衝信號的作用下
，二極管時而導通，時而截止，相當於開關的“接通”和“關斷”。erjiguanyoujiezhidaokaitongsuoyongdeshijianchengweikaitongshijian，youkaitongdaojiezhisuoyongdeshijianchengweiguanduanshijian。yanjiuqikaiguantexing，jiushifenxidaotonghejiezhizhuanhuankuaimandewenti，dangmaichongxinhaopinlvhengaoshi，kaiguanzhuangtaibianhuadesulvjiugao。zuoweiyizhongkaiguanqijian
，qikaiguandesuduyuekuaiyuehao，danshierjiguanshiyouguihuozhedengbandaoticailiaotongguoteshugongyizhichengdedianziqijian，youyigezuigaojixiangongzuosudu，dangkaiguansududayujixiangongzuosudu，erjiguanjiubunengzhengchanggongzuo。yaoshierjiguananquankekaokuaisudigongzuo，waijiedemaichongxinhaogaodidianpingdezhuanhuanpinlvyaoxiaoyuerjiguankaiguandepinlv。

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如圖1所示，輸入端施加一脈衝信號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
，二極管並不瞬時截止
，而是維持一段時間ts後，電流才開始減小，再經tf後，反向電流才等於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+V1shi，erjiguanyebushishunshidaotong，ershijingguodaotongyanchishijianheshangshengshijianhoucaiwendingdaotong，zheduanshijianchengweikaitongshijian。xianranerjiguandedaotonghejiezhishikezongshizhihoujiayuqiliangduangao、低di電dian平ping的de時shi刻ke。二er極ji管guan從cong截jie止zhi轉zhuan為wei正zheng向xiang導dao通tong的de開kai通tong時shi間jian，與yu從cong導dao通tong轉zhuan向xiang截jie止zhi時shi的de關guan斷duan時shi間jian相xiang比bi很hen小xiao，其qi對dui開kai關guan速su度du的de影ying響xiang很hen小xiao，在zai分fen析xi討tao論lun中zhong主zhu要yao考kao慮lv關guan斷duan時shi間jian的de影ying響xiang。

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(xing)半(ban)導(dao)體(ti)靠(kao)近(jin)，在(zai)兩(liang)種(zhong)半(ban)導(dao)體(ti)的(de)接(jie)觸(chu)處(chu)
，因(yin)為(wei)載(zai)流(liu)子(zi)濃(nong)度(du)差(cha)就(jiu)會(hui)產(chan)生(sheng)按(an)指(zhi)數(shu)規(gui)律(lv)衰(shuai)減(jian)的(de)擴(kuo)散(san)運(yun)動(dong)。在(zai)擴(kuo)散(san)過(guo)程(cheng)中(zhong)，電(dian)子(zi)和(he)空(kong)穴(xue)相(xiang)遇(yu)就(jiu)會(hui)複(fu)合(he)，在(zai)交(jiao)界(jie)處(chu)產(chan)生(sheng)內(nei)電(dian)場(chang)
，內(nei)電(dian)場(chang)會(hui)阻(zu)止(zhi)擴(kuo)散(san)運(yun)動(dong)的(de)進(jin)行(xing)，而(er)促(cu)進(jin)漂(piao)移(yi)運(yun)動(dong)，最(zui)終(zhong)
，擴(kuo)散(san)運(yun)動(dong)和(he)漂(piao)移(yi)運(yun)動(dong)達(da)到(dao)動(dong)態(tai)平(ping)衡(heng)。當(dang)二(er)極(ji)管(guan)兩(liang)端(duan)外(wai)加(jia)電(dian)壓(ya)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)時(shi)
，一(yi)方(fang)麵(mian)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；另一方麵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，擴散運動大於漂移運動
，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複合，距離PN結邊界越遠
，複合掉的空穴就越多。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複合，距離PN結邊界越遠，複合掉的電子就越多。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。其次與多數載流子複合而消失。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並基本上保持不變
，還要持續一段時間後，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複時間。當輸入電壓突然由低電平變為高電平時，PN結(jie)將(jiang)由(you)寬(kuan)變(bian)窄(zhai)
，勢(shi)壘(lei)電(dian)容(rong)放(fang)電(dian)後(hou)二(er)極(ji)管(guan)才(cai)會(hui)導(dao)通(tong)
，導(dao)通(tong)時(shi)間(jian)比(bi)關(guan)斷(duan)很(hen)短(duan)，可(ke)以(yi)忽(hu)略(lve)，流(liu)過(guo)二(er)極(ji)管(guan)的(de)電(dian)流(liu)隨(sui)擴(kuo)散(san)存(cun)儲(chu)電(dian)荷(he)的(de)增(zeng)加(jia)而(er)增(zeng)加(jia)
，逐(zhu)步(bu)達(da)到(dao)穩(wen)定(ding)值(zhi)。

二極管在開關轉換過程中出現的開關時間延遲，實質上是由於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
，相當於電容充電。二極管由導通過渡到截止，相當於電容放電。二極管結電容小
，充、放(fang)電(dian)時(shi)間(jian)短(duan)
，過(guo)渡(du)過(guo)程(cheng)短(duan)，則(ze)二(er)極(ji)管(guan)的(de)暫(zan)態(tai)開(kai)關(guan)特(te)性(xing)就(jiu)好(hao)，開(kai)關(guan)速(su)度(du)就(jiu)快(kuai)。延(yan)遲(chi)時(shi)間(jian)就(jiu)是(shi)電(dian)容(rong)充(chong)放(fang)電(dian)荷(he)所(suo)需(xu)要(yao)的(de)時(shi)間(jian)

，延(yan)遲(chi)時(shi)間(jian)的(de)長(chang)短(duan)既(ji)決(jue)定(ding)於(yu)二(er)極(ji)管(guan)本(ben)身(shen)的(de)結(jie)構(gou)，也(ye)與(yu)外(wai)部(bu)電(dian)路(lu)有(you)關(guan)。二(er)極(ji)管(guan)PN結麵積大

，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fan向xiang電dian流liu大da，存cun儲chu電dian荷he消xiao失shi得de就jiu快kuai，則ze關guan斷duan時shi間jian就jiu小xiao。為wei了le提ti高gao開kai關guan速su度du
，降jiang低di延yan遲chi時shi間jian
，一yi般ban開kai關guan管guan結jie麵mian積ji製zhi作zuo得de比bi較jiao小xiao
，使shi其qi存cun儲chu電dian荷he少shao
，同tong時shi通tong過guo二er極ji管guan內nei部bu的de“摻金”，可以使存儲電荷很快複合而消失，減小延遲時間。

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suo示shi電dian路lu進jin行xing實shi驗yan。首shou先xian確que定ding加jia於yu二er極ji管guan兩liang端duan的de脈mai衝chong信xin號hao，其qi幅fu值zhi和he周zhou期qi要yao合he適shi，否fou則ze，就jiu可ke能neng花hua費fei很hen長chang時shi間jian去qu調tiao試shi才cai能neng觀guan察cha到dao二er極ji管guan的de開kai關guan過guo程cheng時shi間jian的de延yan遲chi
，還hai有you可ke能neng導dao致zhi二er極ji管guan損sun壞huai。選xuan擇ze脈mai衝chong信xin號hao要yao根gen據ju二er極ji管guan的de主zhu要yao工gong作zuo參can數shu
，如ru二er極ji管guan最zui大da正zheng向xiang工gong作zuo電dian流liu
，二er極ji管guan最zui大da反fan向xiang工gong作zuo電dian壓ya，反fan向xiang恢hui複fu時shi間jian等deng。依yi據ju這zhe些xie參can數shu，確que定ding脈mai衝chong信xin號hao的de幅fu值zhi。信xin號hao周zhou期qi的de選xuan擇ze一yi定ding要yao大da於yu反fan向xiang恢hui複fu時shi間jiantrr，選(xuan)取(qu)一(yi)定(ding)的(de)負(fu)載(zai)連(lian)接(jie)電(dian)路(lu)，通(tong)過(guo)雙(shuang)蹤(zong)示(shi)波(bo)器(qi)來(lai)觀(guan)察(cha)二(er)極(ji)管(guan)開(kai)關(guan)轉(zhuan)換(huan)時(shi)間(jian)的(de)延(yan)遲(chi)
，分(fen)別(bie)改(gai)變(bian)信(xin)號(hao)周(zhou)期(qi)和(he)負(fu)載(zai)，記(ji)錄(lu)多(duo)次(ci)的(de)實(shi)驗(yan)結(jie)果(guo)
，進(jin)一(yi)步(bu)分(fen)析(xi)二(er)極(ji)管(guan)開(kai)關(guan)轉(zhuan)換(huan)過(guo)程(cheng)延(yan)遲(chi)時(shi)間(jian)隨(sui)脈(mai)衝(chong)信(xin)號(hao)周(zhou)期(qi)和(he)外(wai)部(bu)負(fu)載(zai)變(bian)化(hua)的(de)關(guan)係(xi)。延(yan)遲(chi)時(shi)間(jian)對(dui)於(yu)二(er)極(ji)管(guan)結(jie)麵(mian)積(ji)和(he)負(fu)載(zai)電(dian)阻(zu)均(jun)存(cun)在(zai)極(ji)小(xiao)值(zhi)，在(zai)設(she)計(ji)開(kai)關(guan)電(dian)路(lu)時(shi)
，二(er)極(ji)管(guan)結(jie)麵(mian)積(ji)和(he)負(fu)載(zai)電(dian)阻(zu)應(ying)該(gai)選(xuan)取(qu)該(gai)極(ji)值(zhi)點(dian)對(dui)應(ying)的(de)最(zui)佳(jia)值(zhi)，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於穿通狀態時的長度值
；P區和N區的長度沒有太大的影響，但應稍大於各自的穿通長度，濃度則應盡量高，N區摻雜濃度越低越好。

晶jing體ti二er極ji管guan的de結jie構gou決jue定ding了le其qi作zuo為wei開kai關guan使shi用yong時shi的de特te性xing
，其qi在zai數shu字zi電dian子zi技ji術shu門men電dian路lu中zhong門men的de打da開kai和he關guan閉bi時shi需xu要yao一yi段duan時shi間jian，不bu同tong結jie構gou的de管guan子zi其qi時shi間jian的de長chang短duan是shi有you差cha別bie的de。隨sui著zhe現xian代dai電dian子zi技ji術shu的de快kuai速su發fa展zhan

，要yao求qiu晶jing體ti二er極ji管guan的de開kai關guan速su度du越yue來lai越yue快kuai
，因yin此ci
，對dui器qi件jian結jie構gou和he工gong作zuo電dian路lu的de設she計ji要yao求qiu也ye越yue來lai越yue高gao
，在zai研yan究jiu晶jing體ti二er極ji管guan開kai關guan時shi間jian的de延yan遲chi過guo程cheng的de實shi驗yan中zhong

，輸shu入ru信xin號hao的de周zhou期qi、幅度、電路負載對延遲時間的觀察影響較大，一定的開關電路隻有多次的實驗，才能清楚地觀察到二極管的開關轉換過程時間的延遲。