Переходные процессы при малых напряжениях

Эквивалентная схема диода приведена на рис.2. В момент включения импульса U _пр << φ ₀, поэтому напряжение на p – n -переходе близко к нулю, а ток через диод I _{пр max} = U _пр/ r _б ограничен только сопротивлением базы диода r _б (рис.3).

По мере заряда барьерной емкости напряжение на p – n -переходе и ток через диод стремятся к установившимся значениям U _пр, I _пр, которые определяются дифференциальным сопротивлением p – n -перехода r _диф и сопротивлением r _б.

В момент переключения напряжения на диоде с прямого на обратное напряжение на барьерной емкости не может измениться мгновенно, оно достигает установившегося значения U _обр через некоторое время, как показано на рис.3,б. Ток через диод меняет свое направление и спадает экспоненциально от I _{обр max} до тока обратносмещенного диода I _нас. Временная зависимость силы тока, протекающего через диод (рис.3,в), качественно совпадает с изменением силы тока, протекающего через конденсатор. Однако следует отметить, что барьерная емкость является нелинейной.

4. ДИФФУЗИОННАЯ ЕМКОСТЬ p – n - ПЕРЕХОДА

Диффузионная емкость проявляется при прямом включении p – n- перехода и большом уровне инжекции носителей заряда. Зонная диаграмма прямосмещенного p – n -перехода приведена на рис.4. На рисунке изображен несимметричный p – n -переход с эмиттером электронов.

Напряжение U внешнего источника питания уменьшает величину электрического поля в p – n -переходе E=E _к- E _вн (E _к - контактное, E _вн − поле внешнего источника питания) и повышает энергию электронов в эмиттере n ⁺-типа. При этом уровень Ферми W _F (жирный пунктир на рис.4) поднимается, потенциальный барьер уменьшается до величины q (j ₀- U), толщина p – n -перехода уменьшается до величины , где e − относительная диэлектрическая проницаемость кристалла полупроводника, e ₀ = 8.86·10⁻¹² Ф/м − диэлектрическая постоянная, N _a и N _d – концентрации акцепторных и донорных примесей соответственно в эмиттере и базе. Из эмиттера в базу течет диффузионный ток электронов. Концентрация электронов в базе на границе p – n -перехода n _p(0) = n _pexp U / j _т выше равновесной концентрации электронов в глубине базы n _p. За счет разности концентраций n _p(0) −n _p = n _p(exp U / j _т−1) начинается диффузия электронов в глубину базы. Происходит их частичная рекомбинация с основными носителями заряда в базе (дырками). По мере продвижения электронов в глубину базы их избыточная концентрация убывает с увеличением х по закону n _p(х) −n _p = [ n _p(0)– n _p]exp(– x / L_n), здесь L _n – средняя длина диффузии электронов, на которой концентрация электронов уменьшается в е ≈2.7 раз.

Следует отметить, что в соответствии с принципом электрической нейтральности из глубины базы дрейфуют дырки и вблизи p – n -перехода возникает избыточный заряд дырок, уравновешивающий избыточный заряд электронов. Эти два заряда, возникшие в базе вблизи границы p – n -перехода, и образуют заряд диффузионной емкости прямосмещенного p – n -перехода. Заряд диффузионной емкости не может накопиться или рассосаться мгновенно. Поэтому при изменении напряжения источника питания U возникает переходный процесс, который длится конечное время. Время переходного процесса определяется многими факторами: концентрацией неосновных носителей, коэффициентом диффузии D [1/см²·c], временем жизни неосновных носителей в базе τ _n и наличием встроенного в базу дополнительного электрического поля.

Величину поверхностной плотности заряда диффузионной емкости можно оценить, если заменить экспоненциальное распределение концентрации электронов в базе линейным, спадающим с n _p(0) до n _p на средней длине диффузии L _n. Тогда поверхностная плотность заряда рассчитывается как площадь под треугольником Q _диф = qn _p(exp U _пер/ j _т−1)· L _n/2. Если пренебречь падением напряжения на низкоомной области эмиттера, омических контактах и выводах диода, то напряжение на p – n -переходе U _пер = U − U _б, где U _б – падение напряжения на высокоомной области базы. Величина диффузионной емкости С = SQ _диф/ U _пер = Sqn _p(exp U / j _т−1) L _n/(2 U _пер) нелинейно зависит от напряжения питания U, здесь S – площадь p – n -перехода.

Дата добавления: 2014-01-11