Переходные процессы в р-n-переходе

При резкомизменении тока через р-n-переход (или напряжения, подаваемого на р-n-переход) напряжение на нем (или ток, протекающий через него) устанавливается в течение определенного времени. Такой переходный процесс обусловлен инерционностью явлений в р-n-переходе при переключении, которые в основном обусловлены:

— накоплением и рассасыванием неосновных носителей в базе;

— перезарядкой барьерной емкости;

— изменением заряда поверхностных состояний.

Степень влияния двух первых эффектов на вид переходных характеристик определяется величиной плотностей токов (уровнем инжекции), протекающих через р-n-переход. Третий эффект зависит от состояния поверхности, что в основном определяется технологией изготовления диода. Этот эффект трудно учесть при расчетах переходных процессов, и в дальнейших рассуждениях нанем останавливаться не будем. При высоком уровне инжекции основную роль в переходных процессах играет процесс накопления и рассасывания неосновных носителей в базе диода.

Выражения для накопленного заряда, а также для времен накопления и рассасывания заряда подробно рассмотрены в разделе1.9, и в настоящем разделе на них подробно останавливаться не будем. Вид переходных характеристик, описывающих процессы включения и переключения диода с прямого смещенияна обратное, во многом будет определяться режимом работы источника входного сигнала (режим генератора тока или генератора напряжения).

Рассмотрим процесс переключения р⁺-n диода, работающего при высоком уровне инжекции, при подаче на него идеальных прямого и обратного импульсов напряжения (генератор напряжения) (рис.1.14).

При подаче на диод прямого напряжения ток через диод устанавливается не сразу (см. рис.1.14), так как с течением времени происходит накопление в базе инжектированных через р-n-переход неосновных носителей. В первый момент величина тока будет определяться в основном количеством примеси в базе, т.е. технологией изготовления диода. Дальнейший рост тока связан с модуляцией сопротивления базы: процессами накопления неосновных носителей в базе и основных, поступающих из вывода базы для обеспечения ее электронейтральности. Сопротивление базы падает, ток через диод растет. В момент времени t₂ процесс стабилизируется. В установившемся состоянии ток дырок, инжектированных в базу, равен току дырок, рекомбинирующих в базе. Поэтому стационарное значение заряда дырок в базе

(1.81)

В первый момент после переключения диода с прямого напряжения на обратное наблюдается большой обратный ток, т.к. для неосновных носителей, накопленных в базе, суммарное электрическое поле в ОПЗ является ускоряющим и величина обратного тока ограничивается только внешним сопротивлением (рис.1.14, в, г).

Рисунок 1.14– Характеристики переходных процессов диода, работающего при высоком уровне инжекции, в режиме генератора напряжения:

а) –изменение напряжениена диоде; б) – изменение напряжение на ОПЗ р-n-перехода; в) –изменение тока, протекающего через р-n-переход; г) – энергетическая зонная диаграмма, поясняющая протекание максимального обратного тока в первыймомент после переключения.

После переключения диода на обратное напряжение начинается процесс рассасывания неосновных носителей, в свое время накопленных в базе. Из-за ограничения обратного тока концентрация дырок в базе не может мгновенно уменьшиться до равновесного значения. До тех пор пока концентрация дырок в базе около р-n-перехода превышает равновесное значение (время t₄), на ОПЗ р-n-перехода сохраняется прямое падение напряжения (рис.1.14, б). С момента времениt₄ напряжениена ОПЗ р-n-перехода меняет знак, сопротивление перехода резко возрастает, а ток через диод начинает уменьшаться (рис.1.14, в) промежуток времени t₄…t₅).

Таким образом, весь переходный процесс переключения диода делится на две фазы: начальную, в течение которой p_nгр> p_n0, Uj> 0, ток диода ограничен внешней цепью и остается постоянным, и заключительную, в течение которой обратный ток падает практически до нуля (точнее, до установившегося значения обратного тока). Первую фазу t_n называют фазой высокой обратной проводимости, вторую t_c— фазой спада обратного тока.

Длительность первой фазы прямо пропорциональна времени жизни дырок в базе и зависит от соотношения прямого и обратного токов через диод. С ростом заряд накопленных в базе дырок растет, что при неизменном токе приводит к увеличению времени t_n. При неизменном токе время рассасывания тем меньше, чем больше обратный ток. Длительность времени t_n можно определить из следующего уравнения:

(1.82)

При , или .

Длительность фазы спада обратного тока t_c зависит также от барьерной емкости p-n-перехода (С_бар) и сопротивления цепи R.

Сумма времени t_n + t_c = t_восст определяет один из основных параметров импульсных диодов — время восстановления обратного сопротивления (обратного тока) диода.

Рассмотрим переходные процессы при прохождении через диод прямого импульса тока большой амплитуды (рис.1.15).

Рисунок 1.15– Характеристики переходных процессов диода, работающего
при высоком уровне инжекции в режиме генератора тока:

а – импульс прямого тока; б – напряжение на ОПЗ p-n-перехода;

в – напряжение на базе р-n-перехода; г – напряжение на диоде p-n-перехода.

В первый момент после подачи импульса прямого тока напряжение на диоде будет равно падению напряженияна сопротивлении базы U₁ и может быть достаточно велико. По мере накопления избыточного заряда неосновных носителей в базе и заряда основных, нейтрализующего избыточный, сопротивление R_Б и падение напряжения на нем снижаются, достигая установившегося значения, которое складывается из контактной разности потенциалов и падения напряжения на модулированном сопротивлении базы (рис.1.15, б-г). Промежуток времени с момента подачи на диод импульса прямого тока до момента, когда напряжение нанем станет равным1,1 от величины статического падения напряжения, называется временем установления прямого напряжения на диоде t_уст и является одним из параметров импульсных диодов.

При выключении импульса тока в момент времени t₁ напряжение на сопротивлении базы пропадает и на такую же величину уменьшается напряжение на диоде (рис.1.15, в, г). Практически линейное уменьшение послеинжекционного напряжения при t > t₁ от значения U₃ до нуля определяется процессами рекомбинации дырок в базе и разрядом барьерной емкости р-n-перехода. Учитывая, что избыточная граничная концентрация дырок за счет рекомбинации уменьшается как , можно найти, что послеинжекционное напряжение меняется по закону

,

(1.83)

где время t отсчитывается от момента t₁.

Длительность линейного спада послеинжекционного напряжения может быть много больше t_р. Например, при В длительность спада .

При переключении диода, работающего при маломуровне инжекции, диаграммы токов и напряжений переходных процессов определяются процессами перезарядки барьерной емкости р-n-перехода C_j согласно малосигнальной эквивалентной схеме диода (рис.1.16).

Рисунок 1.16– Малосигнальная эквивалентная схема диода

Дифференциальная проводимость p-n перехода (диода) равна

(1.84)

Следовательно, дифференциальное сопротивление p-n перехода R_j=kT/qI