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  • p-n結的開關速度與幾種p-n結開關二極管
    • 發(fā)布時間:2021-08-02 16:21:09
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    p-n結的開關速度與幾種p-n結開關二極管
    p-n結開關二極管
    p-n結的開關速度:
    p-n結具有很好的單向導電性,因此,它本身就是一個很好的電流開關——正向電流很大、反向電流很小。由于通過理想p-n結的電流(正向電流和反向電流)基本上都是少數(shù)載流子的擴散電流,所以p-n結在開、關時其正向和反向電流大小的變化,將主要決定于p-n結兩邊擴散區(qū)中存儲的少數(shù)載流子濃度梯度的變化。
    p-n結的開關速度即由開關時間來表征,而開關時間包括有開啟時間(上升時間)和關斷時間(反向恢復時間)兩個部分。
    當p-n結由反偏轉換到正偏(即開啟)時,由于首先要對p-n結充電,則立即就有較大的電流通過,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間幾乎為0,這就是說,p-n結的開啟時間(上升時間)可以忽略。但是當在導通的p-n結上突然加上反向電壓時,它卻不會立刻就關斷——電流截止,這是由于事先p-n結的兩邊擴散區(qū)中存儲有大量的非平衡少數(shù)載流子(這是p-n結導通的必備條件),在反向電壓加上以后,只有當這些存儲的非平衡少數(shù)載流子逐漸消失之后,p-n結才進入到電流截止的狀態(tài),所以關斷時間(反向恢復時間)一般是較長的。因此可以說,p-n結的開關時間主要就是反向恢復時間。
    實際上,p-n結的關斷過程包含著電流變化規(guī)律完全不同的兩個階段:首先是反向電流恒定的階段(相應的時間稱為存儲時間),然后是反向電流衰減到0的階段(相應的時間稱為下降時間)。因此有:
    [開關時間]≈[反向恢復時間] = (存儲時間)+(下降時間)
    在存儲時間過程中,擴散區(qū)中存儲的非平衡少數(shù)載流子逐漸減少(由于反向電壓的抽出作用以及少數(shù)載流子的擴散與復合作用所致),但是在這個少數(shù)載流子數(shù)量不斷減小的過程中,卻能夠保持少數(shù)載流子反向濃度分布的梯度不變,從而可以保持關斷時的反向擴散電流恒定。當擴散區(qū)中存儲的非平衡少數(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,就進入到了下降時間的過程,這時將進一步通過擴散與復合,使非平衡少數(shù)載流子濃度梯度不斷減小,存儲的非平衡少數(shù)載流子數(shù)量也不斷減少,相應地反向電流也不斷降低、直至為0——截止。下降時間過程將造成反向電流有一個拖尾。
    為了提高開關速度,就應該減短存儲時間和下降時間;采取的主要措施就是:
    (1)減少非平衡少數(shù)載流子的存儲數(shù)量;
    (2)加快所存儲的少數(shù)載流子的消失過程。從器件本身來說,提高開關速度的主要措施是減短擴散區(qū)中少數(shù)載流子的壽命,其次是減小p-n結的面積和減短兩邊擴散區(qū)的長度(即縮小非平衡少數(shù)載流子的存儲空間);這些措施可有效地減短存儲時間。
    快恢復二極管(Fast-Recovary Diode):
    這是一種p-n結超高速開關二極管。實際上,它是通過在p-n結中合理地摻入適當?shù)膹秃现行碾s質,來獲得很短的反向恢復時間的。在制作快恢復二極管時,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體(例如GaAs)來制作二極管,因為這類半導體中載流子的壽命要比Si中的短得多(因為是直接復合之故),所以能夠得到反向恢復時間遠小于Si/p-n結二極管的快恢復二極管(GaAs/p-n結二極管的反向恢復時間≤0.1ns)。當然,如果用Schottky二極管來作為開關,那么速度必然很高,因為它本身就是一種多數(shù)載流子器件,不存在少數(shù)載流子的存儲問題,所以其反向恢復時間幾乎為0.
    電荷存儲二極管(Charge-Storage Diode):
    這是與快恢復二極管在性能上恰恰相反的一種p-n結開關二極管。電荷存儲二極管的反向恢復時間(特別是存儲時間)相對較長,這就意味著,在導通時其中存儲有數(shù)量較多的非平衡載流子電荷。
    階躍恢復二極管(Step-Recovery Diode):
    這是存儲時間較長、下降時間非常短(ps皮秒數(shù)量級)的一種電荷存儲二極管;它在關斷時的電流波形是陡峭(階躍式)變化的,所以特稱為階躍恢復二極管。
    為了實現(xiàn)p-n結二極管的下降時間≈0,可在擴散區(qū)中設置由勢壘區(qū)指向擴散區(qū)的內建電場來達到。因為這種方向的內建電場雖然對于少數(shù)載流子的正向擴散具有加速作用,但是對于反向的擴散卻具有阻擋作用,即在p-n結關斷時具有拉住少數(shù)載流子、不讓它們流入勢壘區(qū)的作用;這樣一來,在全部存儲的少數(shù)載流子消失之前,在勢壘區(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,即反向擴散電流很快下降到0,所以下降時間≈0。
    階躍恢復二極管中的內建電場可通過不均勻的摻雜技術來引入。實際上,該二極管在結構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(通??刹捎猛庋蛹夹g來形成)。因為階躍恢復二極管具有這種較為特殊的、與變容二極管相似的雜質濃度分布,所以該二極管也可以看成是一種特殊的變容二極管。
    在制作電荷存儲二極管和階躍恢復二極管時所采用的Si,往往是少數(shù)載流子壽命較長的材料(為0.5~5μs,比快恢復二極管的要長約1000倍),用以獲得較多的存儲電荷。
    一般,階躍恢復二極管的正向壓降較低,反向擊穿電壓較高(采用p-i-n結構之故)。但由于其瞬態(tài)響應的特殊性(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,故在電路應用中能夠產(chǎn)生出豐富的諧波分量。從而,階躍恢復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,在高達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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