二極管的正向瞬態(tài)特性

  當(dāng)二極管的電流、電壓的變化相對較慢時(shí),它的瞬時(shí)值可以利用穩(wěn)態(tài)電流、電壓特性來表示。然而,當(dāng)二極管的電壓或電流發(fā)生突變時(shí),器件內(nèi)的載流子分布和前面提到的穩(wěn)態(tài)時(shí)的分布是截然不同的。導(dǎo)通態(tài)和截止態(tài)間的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換過程導(dǎo)致了穩(wěn)態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性間的差異。當(dāng)PiN二極管從反向偏置變?yōu)檎蚱脮r(shí),正向電流以di_F/dt的速率從零開始上升,過剩載流子開始被注入到i區(qū)中靠近結(jié)的區(qū)域,隨后再向i區(qū)中心擴(kuò)散,見圖1。正向電流剛開始增加時(shí)，會(huì)使落在n-輕摻雜區(qū)電阻上的電壓有所增加,但隨著過剩載流子數(shù)量在二極管中心區(qū)域的激增,使i區(qū)的電阻率大大減小,正向電壓越大,注入電流越大,電阻越小,這時(shí)相當(dāng)于一個(gè)電流控制的可變電阻器。

 
  在功率二極管從關(guān)斷狀態(tài)過渡到開通狀態(tài)過程中由于di_F/dt的存在正向電壓會(huì)出現(xiàn)一個(gè)過沖,然后才漸漸趨向穩(wěn)定,如圖2所示,其中U_F為穩(wěn)定后的正向電壓,U_FP為過沖電壓,t_FR為正向恢復(fù)時(shí)間。  
  電壓過沖的機(jī)制有兩種。一是阻性機(jī)制,即少數(shù)載流子的電導(dǎo)調(diào)制作用:在導(dǎo)通的初始階段,P-i-N二極管低摻雜i區(qū)使其具有很高的電阻值,所以電壓隨電流的升高而線性增大,當(dāng)大量的少數(shù)載流子注入i區(qū)并對該區(qū)進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制時(shí)電阻率大大降低,二極管的壓降隨之從峰值電壓U_FP開始下降,直至穩(wěn)定,但是在高速開關(guān)過程中,電流的上升速度要高于從結(jié)上擴(kuò)散到i區(qū)的少數(shù)教流子的速度,電壓過沖是不可避免的,在高電流變化率的情況下U_FP可以高出U_F很多,比如30V:第二個(gè)機(jī)制是感性機(jī)制；由于器件內(nèi)部電感的存在(包括硅片與電極間的電感),電流的變化必然引起電壓的上升,直到電流達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),所以U_FP必然是di_F/dt的函數(shù),di_F/dt越大,U_FP越高,正向恢復(fù)時(shí)間也越長。
 
  由阻性機(jī)制可以知道降低i區(qū)的電阻率有利于減小正向電壓過沖,又由于電子的遷移率µ_n要高于空穴的遷移率µ_p,電導(dǎo)率σ∝ µ,所以從這一出發(fā)點(diǎn)考慮i漂移區(qū)以N型為宜。
 
  正向恢復(fù)時(shí)間t_FR的量級(jí)大約為w²/8D_a,對介于50~50µm的w而言,典型值為0.1到10µs。如果上升時(shí)間小于w²/8D_a,U_FP則對U_F的比值會(huì)增大。在實(shí)際應(yīng)用中,通常利用圖2定義的t_FR來衡量二極管從反向阻新態(tài)向正向?qū)☉B(tài)的轉(zhuǎn)換速皮。該參數(shù)定義為從電流上升到其最終值的10%到正向壓降下降到其穩(wěn)態(tài)值的1.1倍時(shí)的時(shí)間間隔。如果電流上升率不是常數(shù),則它可以定義為電流從最終值的10%上升到最終值的90%所需的時(shí)間。
 
  瞬態(tài)過程會(huì)導(dǎo)致很顯著的功率耗散,特別是對工作在較高頻率的高壓器件更是如此。器件剛剛開通時(shí),如果電流上升速率很高,會(huì)導(dǎo)致較大的正向壓降過沖,這對續(xù)流二極管或者用在緩沖電路中的二極管而言都是極為不利的。電壓過沖和本征i區(qū)電阻率及厚度有著密切的關(guān)系,減小i區(qū)的厚度會(huì)緩和電壓過沖,但是同時(shí)又會(huì)削弱器件的反向阻斷特性。



上一篇：二極管的反向擊穿和穩(wěn)態(tài)特性
下一篇：PiN二極管的反向穩(wěn)態(tài)特性