Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Лекция 4. Емкость р-n перехода. Переходные характеристики диода.
Содержание:
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.
U/0
Рис. 4-1. Зависимость барьерной емкости от напряжения на р-n переходе.
Сбар/Сбар(0)
0
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 Сдф. Полная емкость представляется в виде двух слагаемых:
С = Сбар + Сдф.
При протекании прямого тока в квазинейтральных областях (в основном в базе) происходит накопление неосновных неравновесных носителей (рис. 4-2).
ln
-lр
0
х
n
p
p,n
Рис.4-2. Распределение избыточной концентрации неосновных неравновесных носителей в квазинейтральных областях (база n-типа).
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 Uвх(t) = U1 (рис. 4-4а) ток через диод определяется выражением
, где U – напряжение на диоде.
Рис. 4-4. Установление прямого напряжения.
t
Uвх
U1
a)
I
I1
б)
t
t
в)
U
t
г)
U
Up-n
Irб
д)
t
U
tуст
Uуст
0,1Uуст
0,1Uуст
Uуст
R
I
U
Uвх(t)
Рис. 4-3. Схема включения диода.
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 Irб. Тогда напряжение U на диоде монотонно увеличивается, стремясь к установившемуся значению Uуст по мере заряда барьерной емкости (рис. 4-4 в).
При большом прямом токе следует учитывать падение напряжения на базе:
U = Up-n + Irб
Напряжение на р-n переходе Up-nмонотонно увеличивается, а падение напряжения на базе Irб 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 tуст определяется по уровню 10 % от установившегося напряжения Uуст (рис. 4-4 в, д).
Восстановление обратного сопротивления.
t1
U1
-I2
t
0
0
t
-U2
I1
Рис.4-5. Процесс восстановления обратного сопротивления.
U
I
t2
0.1 I1
a)
б)
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 0,1б, где б - время жизни неосновных неравновесных носителей в базе. Полная длительность процесса переключения в закрытое состояние называется временем восстановления:
tвосст = t1 + t2.
Время восстановления пропорционально времени жизни неосновных неравновесных носителей в базе и зависит от переключаемых токов.