晶体二极管开关电源转换过程分析

0 引言
    晶体二极管开关电路在数字系统和自动化系统里应用很广泛，在晶体二极管开关特性实验中，其开关转换过程中输出与输入存在时间上的延迟或者滞后，研究晶体二极管开关特性主要是研究其开关状态转换过程所需时间的长短。Microsemi公司研制的DQ系列二极管具有超快速软恢复等优点，极大地提高了晶体二极管的开关速度。随着技术的发展，新型的SiC肖特基势垒二极管与采用Si或GaAS技术的传统功率二极管相比，SiC肖特基二极管(SiC-SBD)可大幅降低开关损耗并提高开关频率。在AM-LCD中，用C60制作的势垒二极管作为有源矩阵的开关，其工作速度也很快。作为开关器件使用时，其由开到关或由关到开所需时间越短越好，因此，对于晶体二极管开关速度快慢的原因需要进行认真分析探讨。在此基础上通过简明的实验电路，依据晶体二极管的参数选择合适的脉冲信号和负载，能够很清楚地观察到二极管开关转换过程时间的延迟。

l 二极管开关特性
    在数字电子技术门电路中，在脉冲信号的作用下，二极管时而导通，时而截止，相当于开关的“接通”和“关断”。二极管由截止到开通所用的时间称为开通时间，由开通到截止所用的时间称为关断时间。研究其开关特性，就是分析导通和截止转换快慢的问题，当脉冲信号频率很高时，开关状态变化的速率就高。作为一种开关器件，其开关的速度越快越好，但是二极管是由硅或锗等半导体材料通过特殊工艺制成的电子器件，有一个最高极限工作速度，当开关速度大于极限工作速度，二极管就不能正常工作。要使二极管安全可靠快速地工作，外界的脉冲信号高低电平的转换频率要小于二极管开关的频率。

    如图1所示，输入端施加一脉冲信号Vi，其幅值为+V1和-V2。当加在二极管两端的电压为+V1，二极管导通；当加在二极管两端的电压为-V2，二极管截止，输入、输出波形如图2所示。二极管两端的电压由正向偏置+V1变为反向偏置-V2时，二极管并不瞬时截止，而是维持一段时间ts后，电流才开始减小，再经tf后，反向电流才等于静态特性上的反向漂移电流I0，其值很小。ts称为存贮时间，tf称为下降时间，ts+tf=trr称为关断时间。二极管两端的电压由反向偏置-V2变为正向偏置+V1时，二极管也不是瞬时导通，而是经过导通延迟时间和上升时间后才稳定导通，这段时间称为开通时间。显然二极管的导通和截止时刻总是滞后加于其两端高、低电平的时刻。二极管从截止转为正向导通的开通时间，与从导通转向截止时的关断时间相比很小，其对开关速度的影响很小，在分析讨论中主要考虑关断时间的影响。

2 二极管开关时间延迟原因分析
    在半导体中存在两种电流，因载流子浓度不同形成的电流为扩散电流，依靠电场作用形成的电流为漂移电流。当把P型半导体和N型半导体靠近，在两种半导体的接触处，因为载流子浓度差就会产生按指数规律衰减的扩散运动。在扩散过程中，电子和空穴相遇就会复合，在交界处产生内电场，内电场会阻止扩散运动的进行，而促进漂移运动，最终，扩散运动和漂移运动达到动态平衡。当二极管两端外加电压发生变化时，一方面PN结宽窄变化，势垒区内的施主阴离子和受主阳离子数量会改变；另一方面扩散的多子和漂移的少子数量也会因电压变化而改变。这种情况与电容的作用类似，分别用势垒电容和扩散电容来表示。当二极管两端外加正向电压时，它削弱PN结的内电场，扩散运动加强，漂移运动减弱，扩散和漂移的动态平衡被破坏，扩散运动大于漂移运动，结果导致P区的多子空穴流向N区，N区的多子电子流向P区，进入P区的电子和进入N区的空穴分别成为该区的少子，因此，在P区和N区的少子比无外加电压时多，这些多出来的少子称为非平衡少子。在正向电压作用下，P区空穴越过PN结，在N区的边界上进行积累，N区电子越过PN结，在P区的边界上进行积累，这些非平衡少子依靠积累时浓度差在N区进行扩散，形成一定的浓度梯度发布，靠近边界浓度高，远离边界浓度低。空穴在向N区扩散过程中，部分与N区中的多子电子相遇而复合，距离PN结边界越远，复合掉的空穴就越多。反之亦然，电子在向P区扩散过程中，部分电子与P区中的多子空穴相遇而复合，距离PN结边界越远，复合掉的电子就越多。二极管正向导通时，非平衡少数载流子就会在边界附近积累，产生电荷存储效应。
    当输入电压突然由高电平变为低电平时，P区存储的电子、N区存储的空穴不会瞬时消失，而是通过两个途径逐渐减少。首先在反向电场作用下，P区电子被拉回N区，N区空穴被拉回P区，形成反向漂移电流I0。其次与多数载流子复合而消失。在这些存储电荷突然消失之前，PN结势垒区宽度不变，仍然很窄，所以此时反向电流较大并基本上保持不变，还要持续一段时间后，P区和N区所存储的电荷已明显减少，势垒区才逐渐变宽，再经过一段下降时间，反向电流逐渐减小到正常反向饱和电流的数值I0，二极管截止，因此二极管关断时间又称为反向恢复时间。当输入电压突然由低电平变为高电平时，PN结将由宽变窄，势垒电容放电后二极管才会导通，导通时间比关断很短，可以忽略，流过二极管的电流随扩散存储电荷的增加而增加，逐步达到稳定值。
    二极管在开关转换过程中出现的开关时间延迟，实质上是由于PN结的电容效应所引起，二极管的暂态开关过程就是PN结电容的充、放电过程。二极管由截止过渡到导通，相当于电容充电。二极管由导通过渡到截止，相当于电容放电。二极管结电容小，充、放电时间短，过渡过程短，则二极管的暂态开关特性就好，开关速度就快。延迟时间就是电容充放电荷所需要的时间，延迟时间的长短既决定于二极管本身的结构，也与外部电路有关。二极管PN结面积大，管内存储电荷就多，延迟时间就长。此外，外部电路所决定的正向电流大，存储电荷就会多，则关断时间就大；反向电流大，存储电荷消失得就快，则关断时间就小。为了提高开关速度，降低延迟时间，一般开关管结面积制作得比较小，使其存储电荷少，同时通过二极管内部的“掺金”，可以使存储电荷很快复合而消失，减小延迟时间。

3 晶体二极管开关转换过程实验观察
    为了观察二极管的开关特性，可以按照图1所示电路进行实验。首先确定加于二极管两端的脉冲信号，其幅值和周期要合适，否则，就可能花费很长时间去调试才能观察到二极管的开关过程时间的延迟，还有可能导致二极管损坏。选择脉冲信号要根据二极管的主要工作参数，如二极管最大正向工作电流，二极管最大反向工作电压，反向恢复时间等。依据这些参数，确定脉冲信号的幅值。信号周期的选择一定要大于反向恢复时间trr，选取一定的负载连接电路，通过双踪示波器来观察二极管开关转换时间的延迟，分别改变信号周期和负载，记录多次的实验结果，进一步分析二极管开关转换过程延迟时间随脉冲信号周期和外部负载变化的关系。延迟时间对于二极管结面积和负载电阻均存在极小值，在设计开关电路时，二极管结面积和负载电阻应该选取该极值点对应的最佳值，N区长度也存在最佳值，理论上应为器件加载在所需临界击穿电压值而且刚好处于穿通状态时的长度值；P区和N区的长度没有太大的影响，但应稍大于各自的穿通长度，浓度则应尽量高，N区掺杂浓度越低越好。

4 结语
    晶体二极管的结构决定了其作为开关使用时的特性，其在数字电子技术门电路中门的打开和关闭时需要一段时间，不同结构的管子其时间的长短是有差别的。随着现代电子技术的快速发展，要求晶体二极管的开关速度越来越快，因此，对器件结构和工作电路的设计要求也越来越高，在研究晶体二极管开关时间的延迟过程的实验中，输入信号的周期、幅度、电路负载对延迟时间的观察影响较大，一定的开关电路只有多次的实验，才能清楚地观察到二极管的开关转换过程时间的延迟。