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      二極管的電容效應、等效電路及開關特性全面解析-KIA MOS管

      信息來源:本站 日期:2019-12-02 

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      二極管的電容效應、等效電路及開關特性全面解析

      一、二極管的電容效應

      二極管具有電容效應。它的電容包括勢壘電容CB和擴散電容CD。


      1.勢壘電容CB(Cr)

      PN結內缺少導電的載流子,其電導率很低,相當于介質;而PN結兩側的P區、N區的電導率高,相當于金屬導體。從這一結構來看,PN結等效于一個電容器。事實上,當PN結兩端加正向電壓時,PN結變窄,結中空間電荷量減少,相當于電容"放電",當PN結兩端加反向電壓時,PN結變寬,結中空間電荷量增多,相當于電容"充電"。


      這種現象可以用一個電容來模擬,稱為勢壘電容。勢壘電容與普通電容不同之處,在于它的電容量并非常數,而是與外加電壓有關。當外加反向電壓增大時,勢壘電容減小;反向電壓減小時,勢壘電容增大。目前廣泛應用的變容二極管,就是利用PN結電容隨外加電壓變化的特性制成的。


      2.擴散電容CDPN

      結正向偏置時,N區的電子向P區擴散,在P區形成一定的非平衡載流子的濃度分布,即靠近PN結一側濃度高,遠離PN結的一側濃度低。顯然,在P區積累了電子,即存貯了一定數量的負電荷;同樣,在N區也積累了空穴,即存貯了一定數的正電荷。當正向電壓加大時,擴散增強,這時由N區擴散到P區的電子數和由P區擴散到N區的空穴數將增多,致使在兩個區域內形成了電荷堆積,相當于電容器的充電。


      相反,當正向電壓減小時,擴散減弱,即由N區擴散到P區的電子數和由P區擴散到N區的空穴數減少,造成兩個區域內電荷的減少,這相當于電容器放電。因此,可以用一個電容來模擬,稱為擴散電容。


      總之,二極管呈現出兩種電容,它的總電容Cj相當于兩者的并聯,即Cj=CB + CD。二極管正向偏置時,擴散電容遠大于勢壘電容 Cj≈CD ;而反向偏置時,擴散電容可以忽略,勢壘電容起主要作用,Cj≈CB 。


      二極管,開關特性,等效電路


      二、二極管的等效電路

      二極管是一個非線性器件,對于非線性電路的分析與計算是比較復雜的。為了使電路的分析簡化,可以用線性元件組成的電路來模擬二極管。使線性電路的電壓、電路關系和二極管外特性近似一致,那么這個線性電路就稱為二極管的等效電路。顯然等效電路是在一定條件下的近似。


      二極管應用于直流電路時,常用一個理想二極管模型來等效,可把它看成一個理想開關。正偏時,相當于"開關"閉合(ON),電阻為零,壓降為零;反偏時,相當于"開關"斷開(OFF),電阻為無限大,電流為零。由于理想二極管模型突出表現了二極管最基本的特性--單向導電性,所以廣泛應用于直流電路及開關電路中。


      在直流電路中如果考慮到二極管的電阻和門限電壓的影響。實際二極管可用圖Z0112所示的電路來等效。在二極管兩端加直流偏置電壓和工作在交流小信號的條件下,可以用簡化的電路來等效。圖中rs為二極管P區和N區的體電阻。


      三、二極管的開關特性

      二極管正偏時導通,相當于開關的接通;反偏時截止相當于開關的斷開,表明二極管具有開關特性。不過一個理想的開關,在接通時開關本身電阻為零,壓降為零,而斷開時電阻為無窮大,電流為零,而且要求在高速開關時仍具有以上特性,不需要開關時間。但實際二極管作為開關運用,并不是太理想的。因為二極管正向導通時,其正向電阻和正向降壓均不為零;反向戳止時,其反向電阻也不是無窮大,反向電流也不為零。并且二極管開、關狀態的轉換需要一定時間.這就限制了它的開關速度。因此作開關時,應選用正向電阻RF小、反向電阻RR大、開關時間小的開關二極管。


      續流二極管的作用如下:快恢復二極管主要用作續流二極管,與快速開關三極管并聯后面帶感性負載,如Buck,Boost變換器的電感、變壓器和電機,這些電路大部分是用恒脈脈寬調制控制,感性負載決定了流過續流二極管的電流是連續的,三極管開通時,續流支路要截止以防短路,下面例子給出了三極管與續流二極管的相互作用。


      圖1是簡化的Buck電路。其輸出電壓Vout低于輸入電壓Vin。圖2是T1的控制信號和T1,D1的電壓、電流波形。有源器件T1,D1的開通關斷相位如下:


      T0時刻T1有開通信號。輸入電壓Vin加在L,Cout的串聯支路,使iL線性增加。電感L和Vout決定電流,過一段時間后控制器使T1關斷,在斷續工作時,電感L儲能(W=0.5LiL2)通過續流支路傳送到Cout。在t2時刻T1再次開通,整個過程重復。


      二極管的開關過程可分為四部分:A.T1導通時二極管阻斷;B.阻斷到導通時間;開通;C.T1關斷,二極管導通;D.導通到關斷瞬間;關斷。


      二極管,開關特性,等效電路


      A. 阻斷MOFET導通時,二極管兩端的反壓是Vin。與所有的半導體一樣,二極管的陽極到陰極有一個小電流(耐電流IR),漏電流由阻斷電壓,二極管芯片工作溫度和二極管制作技術決定。反向電壓導致的總功率損耗是:PSP=VIN·IR


      B. 開通三極管T1關斷瞬間,電感電流iL保持不變。二極管兩端電壓逐漸減小,電流逐漸上升。D1的電流上升時間等于T1的電流下降時間。關斷時在pn結存儲的大量電荷被載流子帶走,使得電流上升時pn結的電阻減小,二極管開通時有電壓尖峰,由芯片溫度、-diF/dt和芯片工藝決定。


      正向電壓尖峰與反向電壓相比很小(<50V),應用時不影響二極管的工作(圖7中的D1波形)。但是二極管的開通電壓尖峰增加了三極管的電壓應力和關斷損耗。


      電壓尖峰VFR決定了二極管的開通捌耗。這些損耗隨開關頻率線性增加。


      C. 通態二極管導通正向電流lF,pn結的門限電壓和半導體的電阻決定正向壓降VF。這個電壓由芯片溫度、正向電流IF和制造工藝決定。利用數據手冊中的VTO和rT可以計算正向壓降和通態損耗。


      圖3所示正向壓降的簡化模型是:VF=rT·IF+VTO


      相應的通態損耗是:


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      計算出來的損耗只是近似值,因為VTO和rT隨溫度變化,而給出的只是在一定溫度下(TVJM的參考值。


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      D. 關斷與通態特性不同,高頻應用時二極管的選擇是否合適主要取決于關斷特性的參數,三極管開通時,電流IF的變化率等于三極管電流上升率di/dt。如果使用MOSFET或IGBT,其-diF/dt很容易超過1000A/μs。前面提到,二極管恢復阻斷能力前必須去除通態時存儲在pn結的載流子。這就會產生反向恢復電流,其波形取決于芯片溫度、正向電流IF,-diF/dt和制造工藝。


      圖4是正向特性相同的金摻雜和鉑摻雜外延型二極管不同溫度下的反向恢復電流。


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      相同溫度下不同制造工藝的二極管的反向恢復特性明顯不同。


      鉑摻雜二極管反向恢復電流的減小速度很快(圖5(b)),可控少數載流子的金摻雜二極管的恢復特性較軟(圖5(a))。


      恢復電流減小得很快,線路中分布電感導致的電壓尖峰越高。如果最大電壓超過三極管的耐壓值,就必須使用吸收電路以保障設備的安全工作。而且過高的du/dt會導致EMI/RFI問題,在RFI受限的地方要使用復雜的屏蔽。


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      二極管的反向恢復電流不僅會增加二極管的關斷損耗。還會增加三極管的開通損耗,因為它也是二極管的反向電流。圖6(a)和(b)表明三極管開通電流是電感電流加上二極管的反向恢復電流,而且開通時間受trr影響會增大。


      圖6(a)和(b)重點說明軟恢復特性時低恢復電流的好處。首先,軟恢復特性的金摻雜二極管的電壓尖峰較小和反向恢復電流較小。因此二極管有低關斷損耗。其次,低反向恢復電流可減小三極管的開通損耗。因此,二極管的選擇直接決定了兩個器件的功率損耗。


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      二極管的工作原理

      二極管的主要原理就是利用PN結的單向導電性,在PN結上加上引線和封裝就成了一個二極管。


      晶體二極管為一個由P型半導體和N型半導體形成的PN結,在其界面處兩側形成空間電荷層,并建有自建電場。當不存在外加電壓時,由于PN結兩邊載流子濃度差引起的擴散電流和自建電場引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態。


      當外界有正向電壓偏置時,外界電場和自建電場的互相抑消作用使載流子的擴散電流增加引起了正向電流。當外界有反向電壓偏置時,外界電場和自建電場進一步加強,形成在一定反向電壓范圍內與反向偏置電壓值無關的反向飽和電流。


      當外加的反向電壓高到一定程度時,PN結空間電荷層中的電場強度達到臨界值產生載流子的倍增過程,產生大量電子空穴對,產生了數值很大的反向擊穿電流,稱為二極管的擊穿現象。PN結的反向擊穿有齊納擊穿和雪崩擊穿之分。


      PN結形成原理


      P型半導體是在本征半導體(一種完全純凈的、結構完整的半導體晶體)摻入少量三價元素雜質,如硼等。


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      因硼原子只有三個價電子,它與周圍的硅原子形成共價鍵,因缺少一個電子,在晶體中便產生一個空位,當相鄰共價鍵上的電子獲得能量時就有可能填補這個空位,使硼原子成了不能移動的負離子,而原來的硅原子的共價鍵則因缺少一個電子,形成了空穴,但整個半導體仍呈中性。這種P型半導體中以空穴導電為主,空穴為多數載流子,自由電子為少數載流子。


      N型半導體形成的原理和P型原理相似。在本征半導體中摻入五價原子,如磷等。摻入后,它與硅原子形成共價鍵,產生了自由電子。在N型半導體中,電子為多數載流子,空穴為少數載流子。


      因此,在本征半導體的兩個不同區域摻入三價和五價雜質元素,便形成了P型區和N型區,根據N型半導體和P型半導體的特性,可知在它們的交界處就出現了電子和空穴的濃度差異,電子和空穴都要從濃度高的區域向濃度低的區域擴散,它們的擴散使原來交界處的電中性被破壞。


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