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什么是高速开关二极管?

导读 : 什么是高速开关二极管?


    高速开关二极管可以改善二极管的反向恢复特性,是实现高速开关的二极管。用于在较高开关频率下动作的反相器、开关整流器的还流二极管、整流二极管。同时正向损失也可降低。

    特  征   

 PN接合二极管由于利用了少数载子,因此导电调制效果虽然可以降低正向电压,但少数载子所带有的反向恢复特性会阻碍高速切换。FRD和HED虽然都是PN接合二极管的一咱,但是将白金等重金属加入Si单结晶中,增加电子和空穴的再结合中心,能迅速消灭关断后的少数载子。同时,肖特基势垒二极管主要是由多数载子在运动,因此不会出现反向恢复特性。因此,运行也更快速。

    反向恢复特性   

 PN接合二极管在正向电流的状态下突然施加反向电压的话,应付以在瞬间有较大的反向电流流通。这是因为从PN接合注入的少数载子反向移动,而该电流将流通直到少数载子流出或消灭为止。高速开关二极管用于缩短反向电流变为零为止的时间(反向恢复时间:trr)、改善反向电流波形的平滑性。

外加反向恢复电压时的少数载子的动作

反向恢复电流波形

    种 类

    1)高速恢复二极管(FRD:Fast Recovery Diode)   

高速恢复二极管在结构上和一般整流二极管基本相同,但它是一种有白金、金等掺杂物质扩散在Si结晶中,增加了电子和空穴的再结合中心,关闭后少数载子会立刻被消灭的二极管。因此可以提高二极管的反向恢复特性(反向恢复时间:trr),实现高速动作。

    2)高效二极管(HED:High Efficiency Diode)   

 高效二极管比上述FRD速度更快,损失更低(正向电压较低),因此它使用外延晶圆,在利用导电调制效果(参考PIN二极管)来降低正向电阻的同时,通过追加重金属扩散,能在不损坏正向特性的情况下,提高反向恢复特性。HED用于比FRD更为高速的开关电路。

    3)肖特基势垒二极管(SBD:Schottky Barrier Diode)   

真空能量等级和传导带等级的能量的差(称为电子亲和力)是利用金属和半导体的不同,根据和PN接合不同的原理,通过改变外加电压的方向来控制电流开合的。它和利用少数载子扩散电流的PN接合不同,主要是利用多数载子的漂移电流,因此可以实现高速开关。肖特基势垒二极管和PN接合二极管相比反向电流较大,因此在高压下使用时容易发生热故障,使用时要非常小心。

肖特基势叠二极管的通电状态和记号

肖特基势叠二极管的阻止状态

一般而言,开关器件具有两种工作状态:第一种状态被称为接通

,此时器件的阻抗很小,相当于短路;第二种状态是断开,此时器件的阻抗很大,相当于开路。

  在数字系统中,晶体管基本上工作于开关状态。对开关特性的研究,就是具体分析晶体管在导通和截止之间的转换问题。晶体管的开关速度可以很快,可达每秒百万次数量级,即开关转换在微秒甚至纳秒级的时间内完成。

  二极管的开关特性表现在正向导通与反向截止这样两种不同状态之间的转换过程。二极管从反向截止到正向导通与从正向导通到反向截止相比所需的时间很短,一般可以忽略不计,因此下面着重讨论二极管从正向导通到反向截止的转换过程。

一、二极管从正向导通到截止有一个反向恢复过程

  在上图所示的硅二极管电路中加入一个如下图所示的输入电压。在0―t1时间内,输入为+VF,二极管导通,电路中有电流流通。

  设VD为二极管正向压降(硅管为0.7V左右),当VF远大于VD时,VD可略去不计,则

  在t1时,V1突然从+VF变为-VR。在理想情况下 ,二极管将立刻转为截止,电路中应只有很小的反向电流。但实际情况是,二极管并不立刻截止,而是先由正向的IF变到一个很大的反向电流IR=VR/RL,这个电流维持一段时间tS后才开始逐渐下降,再经过tt后 ,下降到一个很小的数值0.1IR,这时二极管才进人反向截止状态,如下图所示。

  通常把二极管从正向导通转为反向截止所经过的转换过程称为反向恢复过程。其中tS称为存储时间,tt称为渡越时间,tre=ts+tt称为反向恢复时间。

  由于反向恢复时间的存在,使二极管的开关速度受到限制。

二、产生反向恢复过程的原因——电荷存储效应

  产生上述现象的原因是由于二极管外加正向电压VF时,载流子不断扩散而存储的结果。当外加正向电压时P区空穴向N区扩散,N区电子向P区扩散,这样,不仅使势垒区(耗尽区)变窄,而且使载流子有相当数量的存储,在P区内存储了电子,而在N区内存储了空穴

,它们都是非平衡少数载流于,如下图所示。

  空穴由P区扩散到N区后,并不是立即与N区中的电子复合而消失,而是在一定的路程LP(扩散长度)内,一方面继续扩散,一方面与电子复合消失,这样就会在LP范围内存储一定数量的空穴,并建立起一定空穴浓度分布,靠近结边缘的浓度最大,离结越远,浓度越小

。正向电流越大,存储的空穴数目越多,浓度分布的梯度也越大。电子扩散到P区的情况也类似,下图为二极管中存储电荷的分布。

  我们把正向导通时,非平衡少数载流子积累的现象叫做电荷存储效应。

  当输入电压突然由+VF变为-VR时P区存储的电子和N区存储的空穴不会马上消失,但它们将通过下列两个途径逐渐减少:

  ① 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IR,如下图所示;

  ② 与多数载流子复合。

  在这些存储电荷消失之前,PN结仍处于正向偏置,即势垒区仍然很窄,PN结的电阻仍很小,与RL相比可以忽略,所以此时反向电流IR=(VR+VD)/RL。VD表示PN结两端的正向压降,一般 VR>>VD,即 IR=VR/RL。在这段期间,IR基本上保持不变,主要由VR和RL所决定。

  经过时间ts后P区和N区所存储的电荷已显著减小,势垒区逐渐变宽,反向电流IR逐渐减小到正常反向饱和电流的数值,经过时间tt

,二极管转为截止。

  由上可知,二极管在开关转换过程中出现的反向恢复过程,实质上由于电荷存储效应引起的,反向恢复时间就是存储电荷消失所需要的时间。

三、二极管的开通时间

  二极管从截止转为正向导通所需的时间称为开通时间。

  这个时间同反向恢复时间相比是很短的。这是由于PN结在正向偏压作用下,势垒区迅速变窄,有利于少数载流子的扩散,正向电阻很小,因而它在导通过程中及导通以后,其正向压降都很小,比输入电压VF小得多,故电路中的正向电流 IF=VR/RL ,它由外电路的参数决定,而几乎与二极管无关。因此,只要电路在t=0时加入+VF的电压

,回路的电流几乎是立即达到 VF/RL。这就是说 ,二极管的开通时间是很短的,它对开关速度的影响很小,可以忽略不计。

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