擊穿 SiC/GaN 與 Si/Ge

假設(shè)我們要解決一個(gè)問(wèn)題分為以下兩點(diǎn)：

1. 解釋W(xué)BG二極管的擊穿現(xiàn)象，證明圖 1 和圖 2 中顯示的圖表的合理性
2. 使用什么標(biāo)準(zhǔn)可以估計(jì)圖 3 的 δV，以免損害齊納二極管的穩(wěn)定特性？

問(wèn)題一的解答

我們可以再次回顧電壓-電流特性，由以下等式給出：

對(duì)于v > 0，二極管處于正向電壓模式，而對(duì)于v < 0，它處于反向電壓或阻斷模式。在反向電壓模式下，我們有：

在這種情況下，二極管的動(dòng)態(tài)電導(dǎo)4幾乎為零（動(dòng)態(tài)電阻無(wú)窮大）。通過(guò)逐漸增加反向偏置電壓，電荷載流子生成過(guò)程“爆炸”成奇點(diǎn)（至少在理論上）：

其中閾值v B < 0 為擊穿電壓，即反向飽和電流急劇增加時(shí)的電壓。這種奇異行為可以通過(guò)兩種機(jī)制來(lái)解釋：

1. 雪崩倍增
2. 齊納效應(yīng)。

雪崩倍增是由于電場(chǎng)強(qiáng)度增加導(dǎo)致共價(jià)鍵斷裂。晶格離子碰撞釋放的相應(yīng)電子/空穴對(duì)產(chǎn)生新的電子/空穴對(duì)，依此類推。

另一方面，齊納效應(yīng)不涉及晶格離子。在電路應(yīng)用中，這兩種效應(yīng)沒(méi)有區(qū)別。因此，我們簡(jiǎn)單地參考齊納效應(yīng)并通過(guò)設(shè)置V z = ? v B來(lái)定義齊納電壓。

我們還記得，雖然帶隙的幅度ε g隨著溫度的升高而降低，但反向飽和電流會(huì)增加。 那么很容易理解齊納電壓與帶隙成正比。更準(zhǔn)確地說(shuō)，它的范圍從 Si/Ge 二極管的不到 1 伏到 SiC/GaN 二極管的 5000 伏。i 0也顯著增加：對(duì)于 Si/Ge，典型值在 1 – 10 μ A范圍內(nèi)。

問(wèn)題2的解答

眾所周知，齊納二極管用作穩(wěn)壓器。在不涉及高功率過(guò)程的電路中，需要大約 10 伏的穩(wěn)定電壓。我們使用v > v B + δV的電壓-電流特性繪制了圖 3 的曲線，其中 0 < δV < ? v B，然后將其與它不是的“測(cè)試函數(shù)”的圖形聯(lián)系起來(lái)可以在連接點(diǎn)施加一階導(dǎo)數(shù)的連續(xù)性。事實(shí)上，我們注意到典型的“尖銳拐點(diǎn)”對(duì)應(yīng)于二極管動(dòng)態(tài)電阻的不連續(xù)性。原則上，小增量δV是固定的，以免電流值下降到低于二極管制造商提供的閾值（否則沒(méi)有穩(wěn)定性）。

穩(wěn)壓器

圖 4 中所示的原理圖包括具有以下特性的設(shè)備：V L = 5 V 和 I L = 50 mA。我們還有一個(gè)電源，提供電壓 V in =15 V。使用工作點(diǎn) V z = 5.1 V 和 I z = 50 mA的齊納二極管，功耗為 0.5 W，確定電流的范圍在負(fù)載可以變化。

解決方案

對(duì)于理想的齊納二極管，其電壓-電流特性具有所示的趨勢(shì)。但是，切換為，如所示，用大寫字母表示相應(yīng)的量。

理論上，如果V D = V z （該值由二極管制造商提供），電流可以在 0 到 +∞ 之間變化。實(shí)際上，電流的值會(huì)產(chǎn)生二極管能夠耗散的功率W max
（該數(shù)值數(shù)據(jù)也由制造商提供）。因此，我們有：

此行為如圖 6 所示，其中A ( V z , I z ) 是工作點(diǎn)（I z = 已知數(shù)值數(shù)據(jù)）。

應(yīng)用基爾霍夫第二定律，我們有：

在右側(cè)，我們有負(fù)載中的電流I ，其大小可以圍繞標(biāo)稱值I L波動(dòng)。如果I = I L，二極管配置為I D = I z 。設(shè)V D = V z，等式（5）變?yōu)椋?/p>

這使我們能夠計(jì)算要插入電路中的電阻R的值：

因此我們可以寫：

從中我們可以將負(fù)載中的電流表示為二極管中電流的函數(shù)：

相應(yīng)的圖如圖 7 所示。我們現(xiàn)在可以得到穩(wěn)定范圍如下：

換句話說(shuō)，如果負(fù)載中的電流在等式 (10) 給出的范圍內(nèi)變化，電壓將保持穩(wěn)定在V L?，F(xiàn)在，我們所要做的就是將數(shù)值插入到我們的方程式中。我們獲得：

總之，即使負(fù)載中的電流在 50 mA 的標(biāo)稱值附近波動(dòng)，在 2 mA 至 100 mA 的范圍內(nèi)，器件兩端的電壓仍保持穩(wěn)定在V L = 5 V。

鍺二極管與碳化硅二極管

在圖 8 所示的示意圖中，D 1和 D 2分別是鍺和碳化硅二極管。該系列由提供電壓 V 0 = 50 V 的電池供電。V z是二極管 D 2的齊納電壓，假設(shè)工作溫度 T = 400 K，并且 D 2的反向飽和電流是二極管的 40 倍二極管 D 1。

假設(shè)我們要解決一個(gè)問(wèn)題分為以下兩點(diǎn)：

1. 如果 V z > V 0，確定二極管兩端的電壓
2. 如果 V z < V 0 ，在不破壞 D 1 的情況下， V 0 ?V z可以假設(shè)的值是多少，已知該二極管可以耗散的功率為 1 瓦，其反向飽和電流為 1 μA，并且其動(dòng)態(tài)電阻為 r=60 Ω？

問(wèn)題一的解答

就電壓而言，我們將使用小寫字母表示變量（v、v 1 、v 2 、...），使用大寫字母表示常數(shù)。

鑒于此，我們將找到一個(gè)使用電壓-電流特性的解決方案。二極管D 2處于反向電壓模式，其行為如圖 9 所示。該二極管迫使發(fā)生器提供等于D 2反向飽和電流的電流強(qiáng)度，我們用i 02表示。穿過(guò)二極管D 1時(shí)，該電流會(huì)導(dǎo)致電壓降V 1，這可以使用圖 10 中所示的D 1的電壓-電流特性來(lái)確定，并由下式給出：

從等式（12）我們可以寫出：

根據(jù)基爾霍夫第二定律，我們有：

問(wèn)題2的解答

如圖 11 所示，在這種情況下我們有：V 0 > V z。

考慮到基爾霍夫第二定律，D 1兩端的電壓降為V 1 =? V。電路中流過(guò)的電流強(qiáng)度可以根據(jù)D 1的電壓-電流特性計(jì)算如下：

二極管D 1消耗的功率由下式給出：

然后我們可以得到解決方案：

總之，電源電壓可以低于V z直到 0 。40 伏。