Переходные процессы при большом импульсе напряжения

Рассмотрим переходные процессы, происходящие в полупроводниковом диоде при подаче большого импульса напряжения U _пр ≥ j ₀, │ U _обр│ > j ₀ (рис.5,а). Полагаем, что внутреннее сопротивление генератора напряжения много меньше сопротивления базы диода.

В интервале времени от t ₀ до t ₁ напряжение на диоде U = 0, ток I = 0, p – n -переход находится в состоянии термодинамического равновесия и концентрация электронов в базе составляет n _p0.

В момент времени t ₁ напряжение на диоде U скачком изменяется от нуля до U _пр. Если не учитывать падение напряжения на эмиттере, контактах и выводах диода, то оно распределится между базой U _б и p – n -переходом U _пер. Для того чтобы понять, как распределится напряжение, необходимо учесть наличие барьерной емкости p – n -перехода. Распределение концентрации носителей заряда в диоде мгновенно измениться не может, поэтому U _пер = 0.

В следующие моменты времени t ₂ и t ₃ происходит установление равновесия: напряжение U _пер возрастает, стремясь к φ ₀, напряжение U _б падает, стремясь к U − φ ₀, концентрация электронов в базе на границе p – n -перехода увеличивается и начинается диффузия электронов в глубину базы (рис.6,а, кривые 2 и 3). По мере накопления в базе инжектированных электронов и уравновешивающих их заряд дырок сопротивление базы уменьшается, а ток через диод I возрастает (рис.5,г).

При длительном прохождении прямого тока процесс инжекции электронов уравновешивается процессом их рекомбинации. Устанавливается состояние, при котором концентрация электронов и дырок превышает равновесную вблизи p – n -перехода и снижается, стремясь к равновесной n _p0 при удалении от него в глубь базы (кривая 4 на рис.6,а). Ток через диод достигнет своего стационарного значения I _пр.

При изменении полярности импульса напряжения с U _пр на U _обр (время t ₅) напряжение на базе изменяется скачком: U _б = U _обр− φ ₀. Начинается дрейф накопленных в базе неосновных носителей (электронов) обратно в эмиттер. Наблюдается большой обратный ток через диод, ограниченный в основном сопротивлением базы диода I _обр = U _б/ r _б (рис.5,г). Пока концентрация электронов в базе около p – n -перехода превышает равновесное значение, на p – n -переходе сохраняется прямое падение напряжения (рис.5,в).

С течением времени все накопленные в базе электроны уходят через p – n -переход или рекомбинируют в базе с дырками (кривые 6,7,8 на рис.6.б).

Затем начинается фаза восстановления высокого обратного сопротивления диода. В моменты времени t ₈, t ₉ и t ₁₀ распределение концентрации электронов в базе стремится к равновесному (кривая 10 на рис.6,б), а ток I экспонециально уменьшается, стремясь к величине тока обратносмещенного диода I _обр.

Процесс рассасывания накопленных неосновных носителей происходит значительно медленнее их накопления, поэтому именно его время и определяет частотные свойства большинства диодов.

Для ускорения процесса рассасывания электронов из базы можно уменьшить время жизни неосновных носителей, легировав базу атомами меди или золота, энергетические уровни которых располагаются в глубине запрещенной зоны полупроводника. При этом электроны захватываются на ловушках, а затем с уровня ловушек переходят на уровень верха валентной зоны и рекомбинируют с дырками. При таком двухступенчатом процессе время жизни электронов уменьшается.

Если неравномерно легировать базу и создать “встроенное” электрическое поле, то электроны за счет двух механизмов диффузии и электрического дрейфа быстрее достигнут границы p – n -перехода и уйдут в эмиттер. Если использовать оба приема, то время рассасывания заряда диффузионной емкости может сократиться в четыре - пять раз.

Дата добавления: 2014-01-11