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p-n結(jié)的開關(guān)速度與幾種p-n結(jié)開關(guān)二極管
  • 發(fā)布時(shí)間:2021-08-02 16:21:09
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p-n結(jié)的開關(guān)速度與幾種p-n結(jié)開關(guān)二極管
p-n結(jié)開關(guān)二極管
p-n結(jié)的開關(guān)速度:
p-n結(jié)具有很好的單向?qū)щ娦?,因此,它本身就是一個(gè)很好的電流開關(guān)——正向電流很大、反向電流很小。由于通過(guò)理想p-n結(jié)的電流(正向電流和反向電流)基本上都是少數(shù)載流子的擴(kuò)散電流,所以p-n結(jié)在開、關(guān)時(shí)其正向和反向電流大小的變化,將主要決定于p-n結(jié)兩邊擴(kuò)散區(qū)中存儲(chǔ)的少數(shù)載流子濃度梯度的變化。
p-n結(jié)的開關(guān)速度即由開關(guān)時(shí)間來(lái)表征,而開關(guān)時(shí)間包括有開啟時(shí)間(上升時(shí)間)和關(guān)斷時(shí)間(反向恢復(fù)時(shí)間)兩個(gè)部分。
當(dāng)p-n結(jié)由反偏轉(zhuǎn)換到正偏(即開啟)時(shí),由于首先要對(duì)p-n結(jié)充電,則立即就有較大的電流通過(guò),然后電壓再逐漸上升、并增大到正偏電壓,從而電流開通所需要的時(shí)間幾乎為0,這就是說(shuō),p-n結(jié)的開啟時(shí)間(上升時(shí)間)可以忽略。但是當(dāng)在導(dǎo)通的p-n結(jié)上突然加上反向電壓時(shí),它卻不會(huì)立刻就關(guān)斷——電流截止,這是由于事先p-n結(jié)的兩邊擴(kuò)散區(qū)中存儲(chǔ)有大量的非平衡少數(shù)載流子(這是p-n結(jié)導(dǎo)通的必備條件),在反向電壓加上以后,只有當(dāng)這些存儲(chǔ)的非平衡少數(shù)載流子逐漸消失之后,p-n結(jié)才進(jìn)入到電流截止的狀態(tài),所以關(guān)斷時(shí)間(反向恢復(fù)時(shí)間)一般是較長(zhǎng)的。因此可以說(shuō),p-n結(jié)的開關(guān)時(shí)間主要就是反向恢復(fù)時(shí)間。
實(shí)際上,p-n結(jié)的關(guān)斷過(guò)程包含著電流變化規(guī)律完全不同的兩個(gè)階段:首先是反向電流恒定的階段(相應(yīng)的時(shí)間稱為存儲(chǔ)時(shí)間),然后是反向電流衰減到0的階段(相應(yīng)的時(shí)間稱為下降時(shí)間)。因此有:
[開關(guān)時(shí)間]≈[反向恢復(fù)時(shí)間] = (存儲(chǔ)時(shí)間)+(下降時(shí)間)
在存儲(chǔ)時(shí)間過(guò)程中,擴(kuò)散區(qū)中存儲(chǔ)的非平衡少數(shù)載流子逐漸減少(由于反向電壓的抽出作用以及少數(shù)載流子的擴(kuò)散與復(fù)合作用所致),但是在這個(gè)少數(shù)載流子數(shù)量不斷減小的過(guò)程中,卻能夠保持少數(shù)載流子反向濃度分布的梯度不變,從而可以保持關(guān)斷時(shí)的反向擴(kuò)散電流恒定。當(dāng)擴(kuò)散區(qū)中存儲(chǔ)的非平衡少數(shù)載流子數(shù)量減少到再也不能維持恒定的反向濃度梯度時(shí),就進(jìn)入到了下降時(shí)間的過(guò)程,這時(shí)將進(jìn)一步通過(guò)擴(kuò)散與復(fù)合,使非平衡少數(shù)載流子濃度梯度不斷減小,存儲(chǔ)的非平衡少數(shù)載流子數(shù)量也不斷減少,相應(yīng)地反向電流也不斷降低、直至為0——截止。下降時(shí)間過(guò)程將造成反向電流有一個(gè)拖尾。
為了提高開關(guān)速度,就應(yīng)該減短存儲(chǔ)時(shí)間和下降時(shí)間;采取的主要措施就是:
(1)減少非平衡少數(shù)載流子的存儲(chǔ)數(shù)量;
(2)加快所存儲(chǔ)的少數(shù)載流子的消失過(guò)程。從器件本身來(lái)說(shuō),提高開關(guān)速度的主要措施是減短擴(kuò)散區(qū)中少數(shù)載流子的壽命,其次是減小p-n結(jié)的面積和減短兩邊擴(kuò)散區(qū)的長(zhǎng)度(即縮小非平衡少數(shù)載流子的存儲(chǔ)空間);這些措施可有效地減短存儲(chǔ)時(shí)間。
快恢復(fù)二極管(Fast-Recovary Diode):
這是一種p-n結(jié)超高速開關(guān)二極管。實(shí)際上,它是通過(guò)在p-n結(jié)中合理地?fù)饺脒m當(dāng)?shù)膹?fù)合中心雜質(zhì),來(lái)獲得很短的反向恢復(fù)時(shí)間的。在制作快恢復(fù)二極管時(shí),所采用的Si材料的少數(shù)載流子壽命一般也都是很短的(為0.5~5ns)。
如果采用直接帶隙半導(dǎo)體(例如GaAs)來(lái)制作二極管,因?yàn)檫@類半導(dǎo)體中載流子的壽命要比Si中的短得多(因?yàn)槭侵苯訌?fù)合之故),所以能夠得到反向恢復(fù)時(shí)間遠(yuǎn)小于Si/p-n結(jié)二極管的快恢復(fù)二極管(GaAs/p-n結(jié)二極管的反向恢復(fù)時(shí)間≤0.1ns)。當(dāng)然,如果用Schottky二極管來(lái)作為開關(guān),那么速度必然很高,因?yàn)樗旧砭褪且环N多數(shù)載流子器件,不存在少數(shù)載流子的存儲(chǔ)問題,所以其反向恢復(fù)時(shí)間幾乎為0.
電荷存儲(chǔ)二極管(Charge-Storage Diode):
這是與快恢復(fù)二極管在性能上恰恰相反的一種p-n結(jié)開關(guān)二極管。電荷存儲(chǔ)二極管的反向恢復(fù)時(shí)間(特別是存儲(chǔ)時(shí)間)相對(duì)較長(zhǎng),這就意味著,在導(dǎo)通時(shí)其中存儲(chǔ)有數(shù)量較多的非平衡載流子電荷。
階躍恢復(fù)二極管(Step-Recovery Diode):
這是存儲(chǔ)時(shí)間較長(zhǎng)、下降時(shí)間非常短(ps皮秒數(shù)量級(jí))的一種電荷存儲(chǔ)二極管;它在關(guān)斷時(shí)的電流波形是陡峭(階躍式)變化的,所以特稱為階躍恢復(fù)二極管。
為了實(shí)現(xiàn)p-n結(jié)二極管的下降時(shí)間≈0,可在擴(kuò)散區(qū)中設(shè)置由勢(shì)壘區(qū)指向擴(kuò)散區(qū)的內(nèi)建電場(chǎng)來(lái)達(dá)到。因?yàn)檫@種方向的內(nèi)建電場(chǎng)雖然對(duì)于少數(shù)載流子的正向擴(kuò)散具有加速作用,但是對(duì)于反向的擴(kuò)散卻具有阻擋作用,即在p-n結(jié)關(guān)斷時(shí)具有拉住少數(shù)載流子、不讓它們流入勢(shì)壘區(qū)的作用;這樣一來(lái),在全部存儲(chǔ)的少數(shù)載流子消失之前,在勢(shì)壘區(qū)邊緣處的少數(shù)載流子濃度不可能變?yōu)?,于是就必能得到此處的少數(shù)載流子濃度梯度=0,即反向擴(kuò)散電流很快下降到0,所以下降時(shí)間≈0。
階躍恢復(fù)二極管中的內(nèi)建電場(chǎng)可通過(guò)不均勻的摻雜技術(shù)來(lái)引入。實(shí)際上,該二極管在結(jié)構(gòu)上往往就是界面附近處的摻雜濃度分布非常陡峭的p-i-n結(jié)(通常可采用外延技術(shù)來(lái)形成)。因?yàn)殡A躍恢復(fù)二極管具有這種較為特殊的、與變?nèi)荻O管相似的雜質(zhì)濃度分布,所以該二極管也可以看成是一種特殊的變?nèi)荻O管。
在制作電荷存儲(chǔ)二極管和階躍恢復(fù)二極管時(shí)所采用的Si,往往是少數(shù)載流子壽命較長(zhǎng)的材料(為0.5~5μs,比快恢復(fù)二極管的要長(zhǎng)約1000倍),用以獲得較多的存儲(chǔ)電荷。
一般,階躍恢復(fù)二極管的正向壓降較低,反向擊穿電壓較高(采用p-i-n結(jié)構(gòu)之故)。但由于其瞬態(tài)響應(yīng)的特殊性(反向電流波形陡峭),因此它是一種具有高度非線性特性的電抗元件,故在電路應(yīng)用中能夠產(chǎn)生出豐富的諧波分量。從而,階躍恢復(fù)二極管可用于倍頻器、高速脈沖整形與發(fā)生器以及高頻諧波發(fā)生器等。在用作倍頻器時(shí),在高達(dá)20次倍頻中仍然能夠保持較高的效率,故它是一種優(yōu)良的微波倍頻元件。
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