PN结的瞬态特性

PN结的瞬态特性学号：1215022736姓名：吕雪PN结二极管具有单向导电性，可以作为开关使用。当二极管处于正向导通状态时，相当于开关闭合，称为“开”状态。当二极管处于反向截止状态时，相当于开关断开，称为“关”状态。理想开关应具有如下特性，直流特性和瞬态特性。瞬态特性方面，打开的瞬间应立即出现稳态电流，关断的瞬间电流应立即消失。也就是说，从正向偏置到反向偏置或从反向偏置到正向偏置的过渡应近乎突变，过渡时间要尽可能的短。对于PN结，从反向偏置到正向偏置过渡很快，而从正向偏置到反向偏置的响应时间受限于少数载流子的存储效应，过渡时间远大于反向到正向偏置的过渡时间。一、瞬态开启特性图1.(a).瞬态电流响应(b).瞬态电压-时间响应图1所示为瞬态开启时的电流响应和电压响应，可以看出，其响应时间极其短暂。在响应的第一阶段，即PN结瞬态开启过程，只要有少数几个少子的注入，就能使结从反偏恢复到热平衡状态。多数载流子也迅速再分布使耗尽区缩小到零偏的宽度。在瞬态开启期间，PN结内部将有存储电荷的积累。二、瞬态关断特性图2.将二极管由正偏变为反偏的简单电路图2所示为将二极管由正偏变为反偏的简单电路。正偏时，有正向电流If流过PN结；然后将开关S接到右边，加一反向偏压，此时，通过PN结的电流并不是立即变为反向饱和电流IS，而是先经过一个较大的恒定反向电流Ir阶段，最后，再逐渐衰减到反向饱和电流IS。2.1瞬态响应图3.瞬态电流响应图3所示为由正向偏置到反向偏置的瞬态电流响应。PN结的反向瞬变过程可分为电流恒定和电流衰减两个阶段，相应的瞬变时间分别以ts和tr表示。其中，ts称为存储时间，tr称为下降时间。而trr=ts+tr即为反向恢复时间，它是恒定反向电流Ir衰减到其最大值的10%所需的时间，这一时间要比瞬态开启时间长的多。同样，对于电压，PN结上的电压也需经过存储时间ts才变为0。2.2存储延迟的定性分析对存储延迟进行定性分析，从载流子运动剖析。正偏时，电子从n区注入到p区，空穴从p区注入到n区，在耗尽层边界有少子的积累。导致p-n结内有等量的过剩电子和空穴——电荷的存储。突然反向时，这些存储电荷不能立即去除，积累电荷消除有两种途径：复合和漂移。都需要经过一定的时间,p-n结才能达到反偏状态，这个时间为反向恢复时间。图4.耗尽区边缘外，不同时刻少数载流子的分布图4为PN结从正向偏置到反向偏压过程中，耗尽区边缘外，不同时刻少数载流子的分布。t=0时刻的曲线表示PN结外加反向电压的一瞬间，此时，PN结仍处于正偏，结上电压近似于开启电压，反向电流Ir产生，开始进行少子抽取。曲线t1到t4为存储过程，即ts期间，耗尽区边缘少子浓度逐渐变为平衡少子浓度，结上电压也变为0，这期间反向电流Ir不变。接下来的时间为下降时间，即tr期间，耗尽区边缘少子浓度逐渐变为0，结上电压逐渐变为反偏电压，电流达到反向饱和电流IS。由此，得出结论，引起反向恢复过程的原因是，P-N结在正向导通期间存储在中性区中的非平衡少子电荷Q。2.3存储延迟的定量分析进而，对存储延迟进行定量分析，计算存储时间ts和下降时间tr来探求影响反向恢复时间的因素。首先，进行存储时间ts的计算，以P+N结为例，正向稳态时：pnnLxkTqVpxpexp1exp01exp00kTqVqpALdxxpAqQnpn1exp00kTqVpLDAqdxxpdAqDInppxnpf由此可得正向稳态时Q与If之间有如下关系：fpfppIIDLQ2该式为求解电荷方程的初始条件。由连续性方程得关于N区中非平衡少子电荷Q的微分方程：prprQIdtdQQdtdQI即从上式明显可以看出存储电荷的消失有两种途径：反向电流Ir的抽取和空穴的复合。代入初始条件：当t=0时，Q(0)=τpIf，则此微分方程的解为：srpprfpttItIItQ0,exp由t=ts时，Q(ts)=0，可令上式等于0，求解出ts：rfpsIIt1ln从上式可看出，存贮时间ts随着If的增加而增加，随着Ir的增加而减少，并且与τp成正比。接下来，求解下降时间tr。存储时间ts以后，空穴浓度开始减少到平衡状态值一下，结电压趋近于-VR，新的边界条件成立，这个阶段是初始边界条件为0,0nsptP的衰减阶段。tr的解由超越方程给出：frprprprIIttterf1.01exp代入初始条件解方程，得出结果：（1）材料长度WLp时：22frprsIItt（2）当材料长度WLp时：222frprsIIDWtt由此，得出减小反向恢复时间trr的方法：（1）从电路上，应采用尽量小的If(使存贮电荷Q=τpIf尽可能小)和尽量大的Ir(可加快对Q的抽取)。（2）从器件本身，应降低少子寿命τp，这样一方面可减少正向时的存储电荷Q=τpIf，同时可加快反向时电荷的复合。通常可以采用掺金、掺铂、中子辐照或电子辐照等方法来引入复合中心，从而使τp减小。（3）减薄轻掺杂一侧中性区的厚度。这可以使存储在该区的少子电荷减少。知识要点小节：掌握PN结的瞬态开启与关断特性、存储时间、下降时间和反向恢复时间、引起反向恢复过程的原因、反向恢复时间的计算。理解储存在中性区的非平衡少子电荷在反向恢复期间的变化情形、减小反向恢复时间的措施等。提问：PN结的能带图，零偏、正偏及反偏。零偏时：正偏时：反偏时：