二极管的正向瞬态特性

  当二极管的电流、电压的变化相对较慢时,它的瞬时值可以利用稳态电流、电压特性来表示。然而,当二极管的电压或电流发生突变时,器件内的载流子分布和前面提到的稳态时的分布是截然不同的。导通态和截止态间的动态转换过程导致了稳态特性和动态特性间的差异。当PiN二极管从反向偏置变为正向偏置时,正向电流以di_F/dt的速率从零开始上升,过剩载流子开始被注入到i区中靠近结的区域,随后再向i区中心扩散,见图1。正向电流刚开始增加时，会使落在n-轻掺杂区电阻上的电压有所增加,但随着过剩载流子数量在二极管中心区域的激增,使i区的电阻率大大减小,正向电压越大,注入电流越大,电阻越小,这时相当于一个电流控制的可变电阻器。

 
  在功率二极管从关断状态过渡到开通状态过程中由于di_F/dt的存在正向电压会出现一个过冲,然后才渐渐趋向稳定,如图2所示,其中U_F为稳定后的正向电压,U_FP为过冲电压,t_FR为正向恢复时间。  
  电压过冲的机制有两种。一是阻性机制,即少数载流子的电导调制作用:在导通的初始阶段,P-i-N二极管低掺杂i区使其具有很高的电阻值,所以电压随电流的升高而线性增大,当大量的少数载流子注入i区并对该区进行电导调制时电阻率大大降低,二极管的压降随之从峰值电压U_FP开始下降,直至稳定,但是在高速开关过程中,电流的上升速度要高于从结上扩散到i区的少数教流子的速度,电压过冲是不可避免的,在高电流变化率的情况下U_FP可以高出U_F很多,比如30V:第二个机制是感性机制；由于器件内部电感的存在(包括硅片与电极间的电感),电流的变化必然引起电压的上升,直到电流达到稳定状态,所以U_FP必然是di_F/dt的函数,di_F/dt越大,U_FP越高,正向恢复时间也越长。
 
  由阻性机制可以知道降低i区的电阻率有利于减小正向电压过冲,又由于电子的迁移率µ_n要高于空穴的迁移率µ_p,电导率σ∝ µ,所以从这一出发点考虑i漂移区以N型为宜。
 
  正向恢复时间t_FR的量级大约为w²/8D_a,对介于50~50µm的w而言,典型值为0.1到10µs。如果上升时间小于w²/8D_a,U_FP则对U_F的比值会增大。在实际应用中,通常利用图2定义的t_FR来衡量二极管从反向阻新态向正向导通态的转换速皮。该参数定义为从电流上升到其最终值的10%到正向压降下降到其稳态值的1.1倍时的时间间隔。如果电流上升率不是常数,则它可以定义为电流从最终值的10%上升到最终值的90%所需的时间。
 
  瞬态过程会导致很显著的功率耗散,特别是对工作在较高频率的高压器件更是如此。器件刚刚开通时,如果电流上升速率很高,会导致较大的正向压降过冲,这对续流二极管或者用在缓冲电路中的二极管而言都是极为不利的。电压过冲和本征i区电阻率及厚度有着密切的关系,减小i区的厚度会缓和电压过冲,但是同时又会削弱器件的反向阻断特性。



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