半导体器件物理7

1、 1.6 电荷储存和反向瞬变电荷储存和反向瞬变1反向瞬变反向瞬变PN 结二极管处于正向偏压置时，允许通过较大的电流，处结二极管处于正向偏压置时，允许通过较大的电流，处于反向偏置时通过二极管的电流很小，常把处于正向偏置时于反向偏置时通过二极管的电流很小，常把处于正向偏置时二极管的工作状态称为二极管的工作状态称为开态开态，而把处于反向偏置时的工作状，而把处于反向偏置时的工作状态叫做态叫做关态关态。可见。可见 PN 结二极管能起到开关作用。结二极管能起到开关作用。（a）偏置电路）偏置电路（b）驱动电压波）驱动电压波形形（c）PN 结上理想电流波形结上理想电流波形（d）PN 结上理想电压波形结上理想电

2、压波形（e）PN 结上实际电流波形结上实际电流波形（f）PN 结上实际电压波形结上实际电压波形处于图（处于图（a）中的二极管，当外加图（）中的二极管，当外加图（b）所示的阶跃函数的）所示的阶跃函数的电压时，在处于正向偏压电压时，在处于正向偏压 时，流过时，流过 PN 结的电流为正向结的电流为正向电流电流 ，加在，加在 PN 结两端的电压结两端的电压 （ 为二极管的正向压为二极管的正向压降，约为降，约为 ）VfIfVdVdV7 . 0RVVIdff当当 PN 结从正向偏压结从正向偏压 改变为反向偏压改变为反向偏压 时，则理想情时，则理想情况下，二极管的电流应从正向电流况下，二极管的电流应从正向电

3、流 瞬间变为反向饱和电瞬间变为反向饱和电流流 ，电压也立即变为，电压也立即变为 ，即如图（，即如图（c）和（）和（d）所示的电）所示的电流电压波形。流电压波形。 VrVfIfI0rVr0rrVRIVV但实际情况是：当外加电压突然从正变到负时，二极管的电但实际情况是：当外加电压突然从正变到负时，二极管的电流先从正向的流先从正向的 变到一个很大的反向电流变到一个很大的反向电流 ，它近似为，它近似为IfIrRVIrr这个电流持续一段时间这个电流持续一段时间 以后，开始减小，再经过一段时间以后，开始减小，再经过一段时间后趋近反向饱和电流后趋近反向饱和电流 ，如图（，如图（e）所示。电压也不是立即）所示

4、。电压也不是立即改变为改变为 ，而是出现如图（，而是出现如图（f）所示的电压波形。）所示的电压波形。tsI0rV图中所表示出的电流和电压的延迟现象称为图中所表示出的电流和电压的延迟现象称为 PN 结的结的反向瞬反向瞬变。变。反向瞬变现象起源于反向瞬变现象起源于 PN 结的电荷储存效应。图中，结的电荷储存效应。图中， 叫储存时间，叫储存时间， 叫下降时间，叫下降时间， 叫反向恢复时间。叫反向恢复时间。tstftttfs2PN 结的电荷储存效应结的电荷储存效应加一恒定的正向偏压时，载加一恒定的正向偏压时，载流子被注入并保持在流子被注入并保持在 PN 结结二极管中，这种现象称为二极管中，这种现象称为

5、电电荷储存效应荷储存效应。当正向偏压突。当正向偏压突然转换至反向偏压时，在稳然转换至反向偏压时，在稳态条件下所保持着的载流子态条件下所保持着的载流子并不能立刻消除。电荷储存并不能立刻消除。电荷储存效应导致了效应导致了 PN 结的反向瞬结的反向瞬变现象。变现象。 在在 阶段，注入的非平衡少子的浓度梯度不变，因此阶段，注入的非平衡少子的浓度梯度不变，因此反向扩散电流反向扩散电流 为常量。这就解释了当偏压由为常量。这就解释了当偏压由 变成变成 之后，电流变成大的反向电流之后，电流变成大的反向电流 的原因。的原因。tts0IrVfVrIr从图可知，从从图可知，从 到到 ，在，在 PN 结界面结界面 处

6、注入的载处注入的载流子浓度不断下降，注入载流子的浓度梯度流子浓度不断下降，注入载流子的浓度梯度 则沿则沿 轴的正方向。这是由于撤去正向偏压以后，由于失去轴的正方向。这是由于撤去正向偏压以后，由于失去正向偏压的支持，在正向偏压的支持，在 面上注入的非平衡载流子迅速减少，面上注入的非平衡载流子迅速减少，它们将向相反的方向即向它们将向相反的方向即向 PN 结的空间电荷区流动，进入到结的空间电荷区流动，进入到 PN 结空间电荷区的空穴被空间电荷区电场迅速漂移进入结空间电荷区的空穴被空间电荷区电场迅速漂移进入 P 区。区。0tttsxnxxnnd/ )(dnxxxxp在在 阶段，由于在阶段，由于在 面上

7、仍然有面上仍然有 ，由由 知，知，PN 结两端的电压结两端的电压 。但在这一段时间内，由于但在这一段时间内，由于 在减小，因此在减小，因此 也在减小，也在减小，当当 时，可以认为时，可以认为 ，于是结电压为零。，于是结电压为零。tts0 xnpxpn0nn)(TkVqpxpBd0nnnexp)(0dV)(nnxpVdttspxp0nnn)(在在 之后，之后， ，因而，因而 ； 也越来越小，因此也越来越小，因此 也越来越小，这就是出现电流和电压波也越来越小，这就是出现电流和电压波形中的形中的“尾巴尾巴”。ttspxp0nnn)(0dVIrnd/ )(nxxxxpd当当 时，即达到稳定的反偏状态之

8、后，由于反向偏压时，即达到稳定的反偏状态之后，由于反向偏压 PN 结的抽取作用，在结的抽取作用，在 面上有面上有 ， 达到反向偏压达到反向偏压 PN 结稳定状态时的分布状况，结稳定状态时的分布状况， ， 。 txn0)(nnxp)(nxpII0drdVV3提高提高 PN 结开关速度的途径结开关速度的途径 减小正向电流减小正向电流 。因为积累空穴的浓度梯度由因为积累空穴的浓度梯度由 决定，决定，越小，浓度梯度就小，电荷储存量越小，浓度梯度就小，电荷储存量 也越小，如图所示。也越小，如图所示。IfIfIfQ（1）减小正向导通时非平衡载流子的储存量）减小正向导通时非平衡载流子的储存量 Q 降低降低

9、N 区空穴的扩散长度区空穴的扩散长度 （也就是降低（也就是降低 N 区的少数区的少数载流子寿命）。如图所示，在同样的正向电流（即相同的载流子寿命）。如图所示，在同样的正向电流（即相同的浓度梯度）下，浓度梯度）下， 越小，则电荷储存量越小，则电荷储存量 也越小。也越小。LpLpQ一般地，降低少数载流子的寿命是提高二极管开关速度的一般地，降低少数载流子的寿命是提高二极管开关速度的最主要的方法。掺金是一种降低少子寿命的有效方法。开最主要的方法。掺金是一种降低少子寿命的有效方法。开关二极管的一般储存时间范围为关二极管的一般储存时间范围为 0.510ns ，功率整流器的，功率整流器的贮存时间范围为贮存时间范围为 1s10ms 。使储存电荷尽可能快消失，也有