Лекции Эл Приб / Лекции ЭлектронныеПриборы4

Лекция 4. Емкость р-n перехода. Переходные характеристики диода.

Содержание:

• Барьерная емкость

• Диффузионная емкость

• Установление прямого напряжения

• Восстановление обратного сопротивления

Полупроводниковый диод является инерционным элементом по отношению к быстрым изменениям напряжения или тока. При переходе из одного состояния в другое новое распределение носителей устанавливается не мгновенно. В частности, на скорость перехода влияют емкости – барьерная и диффузионная.

Барьерная емкость. В лекции 1 было показано, что в обедненной области по обе стороны от металлургической границы имеются равные по величине и противоположные по знаку пространственные заряды, обусловленные ионизированными донорами и акцепторами. В зависимости от приложенного напряжения значение заряда Q изменяется:

. (4-1)

Если к диоду приложено напряжение U, то в формулах (1-6) ₀ заменится на ₀ – U:

, . (4-2)

_{Подставляя любую из формул (4-2) в (4-1), получим}

. (4-3)

_{Согласно (4-3), заряд Q нелинейно зависит от U, поэтому обедненная область ведет себя как нелинейный конденсатор. Малые изменения заряда dQ, происходящих при малых изменениях напряжения dU, связаны линейной зависимостью}

_{где - дифференциальная емкость.}

_{Барьерная емкость является дифференциальной емкостью р-n перехода.}

_{Знак изменения заряда неважен, поэтому барьерная емкость Сбар ступенчатого р-n- перехода получается дифференцированием формулы (4-3) и равна:}

_{. (4-4)}

_{Обозначив емкость при нулевом напряжении на р-n переходе С(0), получим}

_(4-5)

_{Зависимость дифференциальной емкости от напряжения называется вольт-фарадной характеристикой. Вольт-фарадная характеристика ступенчатого р-n перехода описывается формулой (4-5) и изображена на рис. 4-1. В общем случае вольт-фарадная характеристика зависит от распределения концентраций акцепторов и доноров и может быть аппроксимирована формулой}

_{. (4-6)}

_{Для плавного р-n перехода с линейным распределением концентраций примесей m = 1/3. Для особого распределения примесей (сверхрезкий переход) m > 1.}

_{Основную роль барьерная емкость играет при обратном смещении, где она уменьшается с ростом обратного напряжения Uобр = -U.}

Диффузионная емкость. При прямом напряжении на р-n переходе помимо барьерной емкости появляется емкость, обусловленная зарядом неосновных неравновесных носителей в базе. Эта емкость называется диффузионной С_дф. Полная емкость представляется в виде двух слагаемых:

С = С_бар + С_дф.

_{При протекании прямого тока в квазинейтральных областях (в основном в базе) происходит накопление неосновных неравновесных носителей (рис. 4-2).}

_{Заряд неосновных неравновесных носителей в базе (в n-области)}

_.

_{Используя формулы (1-9) и (1-10), получим}

_.

_{С учетом формулы (3-3) получаем}

_(4-7)

_{Дифференцируя и используя формулу (2-3), получим диффузионную емкость для р-n перехода с «толстой» базой (Wб >> Lp).Для переходов с «тонкой» базой (Wб << Lp) вместо р нужно подставлять эффективное время жизни неосновных носителей в базе эф. Для малого сигнала на низких частотах (f << 1/эф) диффузионная емкость равна}

_(4-8)

_{где k = 0,5  1 – коэффициент, зависящий от толщины базы.}

_{На высоких частотах ((f >> 1/ эф) диффузионная емкость уменьшается с ростом частоты до нуля, т.к. для диффузии носителей через базу требуется время эф.}

Установление прямого напряжения. Переходными процессами называют процессы установления напряжения или тока при воздействии ступенчатого импульса тока или напряжения на р-n переход. Рассмотрим переходный процесс установления прямого напряжения, включив диод по схеме, приведенной на рис. 4-3. При подаче на вход схемы скачка напряжения положительной полярности U_вх(t) = U₁ (рис. 4-4а) ток через диод определяется выражением

, где U – напряжение на диоде.

Если U₁ >> U, то ток диода в течение переходного процесса практически неизменен: I₁  U₁/R (рис. 5-4б).

Вид зависимости U(t) определяется прямым током, емкостью перехода и сопротивлением базы. При малом прямом токе можно пренебречь падением напряжения на сопротивлении базы Ir_б. Тогда напряжение U на диоде монотонно увеличивается, стремясь к установившемуся значению U_уст по мере заряда барьерной емкости (рис. 4-4 в).

При большом прямом токе следует учитывать падение напряжения на базе:

U = U_p-n + Ir_б

Напряжение на р-n переходе U_p-nмонотонно увеличивается, а падение напряжения на базе Ir_б уменьшается (рис. 4-4 г) по мере накопления неосновных неравновесных носителей в базе (эффект модуляции сопротивления базы при высоком уровне инжекции).

Время установления прямого напряжения t_уст определяется по уровню 10 % от установившегося напряжения U_уст (рис. 4-4 в, д).

Восстановление обратного сопротивления.

Пусть в момент времени t = 0 входное напряжение изменяется скачком с прямого на обратное (рис. 4-5 а). Накопленные в базе при прямом токе I₁ носители вызывают обратный ток через р-n переход (-I₂ на рис. 4-5 б). Этот обратный ток во много раз превышает тепловой ток I₀. Пока эти носители не покинут базу, создаваемый ими обратный ток будет большим. Переходный процесс разделяют на стадию высокой обратной проводимости длительностью t₁ и стадию восстановления обратного сопротивления длительностью t₂. На первой стадии на р-n переходе сохраняется положительное напряжение. При этом происходит удаление (рассасывание) накопленных в базе неосновных носителей вследствие рекомбинации и перехода их в эмиттер.

К концу стадии высокой обратной проводимости концентрация неосновных неравновесных носителей в базе около р-n перехода уменьшается практически до нуля. С этого момента величина обратного тока уменьшается и стремится к значению I₀. За время t₂заканчивается восстановление обратного сопротивления. Для большинства диодов время t₂ не превышает 0,1_б, где _б - время жизни неосновных неравновесных носителей в базе. Полная длительность процесса переключения в закрытое состояние называется временем восстановления:

t_восст = t₁ + t₂.

Время восстановления пропорционально времени жизни неосновных неравновесных носителей в базе и зависит от переключаемых токов.