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1、精心整理PN结的瞬态特性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,翻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-
2、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I S.2.1瞬态
3、响应精心整理图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 I r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.忽然反
4、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结才能到达反偏状态,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lr产生,开始进行少子抽取.曲线tl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I -变为0,这期间反向电流lr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
5、电压逐渐变为反偏电压,电流到达反向饱和电流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Q2.3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 向恢复时间的因素精心整理exp -1 exp首先,进行存储时间ts的计算,以P+N结为例,正向稳态时:APn X 二 Pno由此可得正向稳态时Q与I f之间有如下关系: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: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I r的抽取和空穴的复合.代入初始条件：当t=0时
6、,Q(0)= T pIf,那么此微分方程的解为：由t=ts时,Q(ts)=0,可令上式等于0,求解出ts：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T P 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 P0,ts二Pn0 的衰减阶段.tr的解由超越方程给出：代入初始条件解方程,得出结果:(1)材料长度WL时:t +ts(2)当材料长度WL时:ts trW22Dp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=T
7、pI f尽可能小) 和尽量大的lr(可加快对Q的抽取).(2) 从器件本身,应降低少子寿命T p,这样一方面可减少正向时的存储电荷 Q=t pIf, 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 方法来引入复合中央,从而使T p减小 精心整理(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举措等.提问：PN结的能带图,零偏、正偏及反偏.零偏时：正偏时：反偏时：