БОЛЬШОЙ набор материала по курсу / 2.4.Полупроводниковый диод в импульсном режиме

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДИОД В ИМПУЛЬСНОМ РЕЖИМЕ.

Полупроводниковые диоды могут использоваться в качестве переключателей, т.е. устройств, имеющих два состояния: “открыто”- когда сопротивление прибора очень мало (прямое смещение диода), и “закрыто”- когда сопротивление очень велико (обратное смещение). Время перехода диода из одного состояние в другое должно быть по возможности малым. Явления, происходящие при переходе диода из одного режима работы в другой, носят название переходных процессов.

1. ПРОХОЖДЕНИЕ ИМПУЛЬСА ПРЯМОГО ТОКА ЧЕРЕЗ ДИОД.

Рассмотрим переходной процесс включения p-n перехода для схемы, представленной на рис.1. Прямое сопротивление диода обычно значительно меньше сопротивления нагрузки R, включенного последовательно с диодом. Тогда можно считать, что диод подключен к генератору тока. Анализ переходных процессов проведем для диода с сильнолегированным эмиттером p – типа.

Рис.1. Схема включения диода.

Падение напряжения на диоде Uд складывается из падения напряжения на р⁺-n переходе Up-n. и падения напряжения на базе U_Б и на эмиттере U_э.. Так как сопротивление базы значительно больше сопротивления эмиттера, то и U_э= Irэ << U_Б = Ir_Б тогда U_д=Upn+U_Б.

Форма выходного напряжения на диоде U_д зависит от уровня инжекции.

1.1. Переходные процессы для низкого уровня инжекции (∆р<nn).

До подачи входного импульса ток через р⁺-n, переход отсутствует и концентрация дырок в базе имеет равновесное значение P_n0 (рис.2).

Рис.2. Распределение концентрации дырок в базе диода для различных моментов времени при включении диода.

Рис.3. Переходные процессы при включении диода (низкий уровень инжекции):

а – входной импульс; б – форма изменения напряжения на р-n переходе; в – форма изменения напряжения на базе; г – форма изменения выходного напряжения.

Н

ачиная с момента t₁, происходит инжекция дырок в базу и их концентрация в базе возрастает до величины P₁.

Напряжение U_pn(рис.3,б) в течение переходного процесса возрастает от нуля до некоторого установившегося значения

Такая форма изменения напряжения указывает на емкостной характер входного сопротивления р-n перехода.

При низком уровне инжекции сопротивление базы постоянно, поэтому падение напряжения на базе U_Б=I·r_Б повторяет форму импульса тока (рис.3,в). Полное падение напряжения на диоде U_д=U_pn+U_Б для низкого уровня инжекции зависит от времени как показано на рис.3г.

1

.2. Переходные процессы для высокого уровня инжекции

Рис.4. Переходные процессы при включении диода (высокий уровень инжекции):

а – входной импульс; б – форма изменения напряжения на р-n переходе; в – форма изменения напряжения на базе; г – форма изменения выходного напряжения.

В момент времени t₁ ( рис.4,б ) начинается инжекция дырок в базу, напряжение на p-n переходе U_pn увеличивается и стремится к контактной разности потенциалов φ_0, составляющей 0,2-0,3 В для германиевых диодов и 0,6-0,8 В для кремниевых.

Падение напряжения на сопротивлении базы U_Б0 в начальный момент времени t₁ может быть достаточно велико. Сопротивление базы в этот момент времени определяется лишь ее геометрическими размерами и удельным сопротивлением исходного полупроводника ρ_Б (немодулированное сопротивление базы r_Б0). По мере протекания прямого тока в областях, примыкающих к p-n переходу, на расстоянии порядка одной-двух диффузионных длин концентрация подвижных носителей заряда увеличивается. Тогда уменьшение удельного сопротивления этой части базы приводит к снижению полного сопротивления базы до величины r_БМ (модулированное сопротивление базы). При этом уменьшается падение напряжения на сопротивлении базы, как показано на рисунке 4,в. Выброс напряжения при скачке тока указывает на индуктивный характер входного сопротивления диода.

Форма изменения полного напряжения на диоде U_д=U_pn+U_Б для высокого уровня инжекции показана на рисунке 4,г. Распределение дырок в базе диода в различные моменты времени после приложения прямого тока показано на рис. 2.

При выключении импульса тока в момент времени t₂ величина U_Б практически мгновенно уменьшается на величину U_БМ = I_пр r_БМ, т.е. становится равной нулю (рис.4,в). Точно на такую же величину I_пр r_БМ уменьшается напряжение на диоде (рис.4,г).

Н

*

а p-n переходе еще в течение некоторого времени сохраняется напряжение, соответствующее прямому току через диод и называющееся послеинжекционным. Его наличие объясняется тем, что распределение дырок в базе диода мгновенно измениться не может, поэтому величина U_pn в момент выключения тока не изменяется. Избыточные дырки в базе на границе с p-n переходом постепенно рекомбинируют, концентрация их около p-n перехода уменьшается, что приводит к уменьшению величины U_pn. Спад послеинжекционного напряжения во времени (рис. 4,г) описывается линейной зависимостью, если цепь диода после прохождения тока разомкнута:

Если после окончания импульса прямого тока диод оказывается замкнутым на сопротивление конечной величины, то спад послеинжекционного напряжения происходит быстрее. Под действием остаточного напряжения по цепи будет протекать ток обратного направления, величина которого тем больше, чем меньше сопротивление нагрузки в цепи диода. При этом часть накопленных дырок покидает базу диода и процесс возвращения его в равновесное состояние заканчивается быстрее, чем в том случае, когда накопленный заряд убывает только вследствие рекомбинации. Однако формула (*) остается справедливой для начальной части изменения напряжения на переходе.

2. ПРОЦЕСС ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ДИОДА С ПРЯМОГО НАПРАВЛЕНИЯ НА ОБРАТНОЕ.

Рис.5. Схема для исследования процесса переключения диода

Рис.6. Переходные процессы при переключении диода:

а – входной импульс; б – форма изменения тока через диод; в – форма изменения напряжения на p-n переходе.

Рис.7. Распределение концентрации дырок в базе диода для различных моментов времени при переключении диода с прямого направления на обратное.

Пусть в момент времени t' входное напряжение меняет полярность. При этом ток диода меняется от величины I_пр до величины -I_обр.

Непосредственно перед моментом переключения распределение дырок в базе (кривая t' на рис.7) соответствует протеканию прямого тока I_пр. В момент переключения t' ток меняет направление, поэтому меняет знак градиент концентрации дырок dp/dx на границе с p-n переходом (x=0). Но концентрация дырок в базе p_n(0) около p-n перехода не может мгновенно уменьшиться. Происходит постепенное уменьшение концентрации дырок в базе из-за их рекомбинации с электронами и ухода в p-область перехода, т.е. начинается рассасывание накопленного заряда дырок в базе. До тех пор, пока p_n(0)>p_n0 напряжение на p-n переходе U_pn больше нуля, т. е. p-n переход имеет прямое смещение. Сопротивление прямосмещенного перехода будет мало и величина обратного тока I_обр≈U_обр/R_н, где U_обр – амплитуда импульса обратного напряжения, R_н – сопротивление нагрузки. Этот процесс будет продолжаться в течение некоторого времени t₁=t^IV-t', за которое концентрация дырок в базе около p-n перехода уменьшится до равновесного значения p_n(0) = p_n0 (рис.7). При этом напряжение на p-n переходе уменьшится до нуля (рис.6,в).

В еличина t₁пропорциональна времени жизни неосновных носителей τ_p, а также зависит от отношения I_обр/I_пр.. С достаточной степенью точности для значений I_обр/I_пр >1 можно считать:

а при условии 0,01< I_обр/I_пр < 0,2

После момента t^IV концентрация дырок в базе около p-n перехода уменьшится практически до нуля (рис.7), сопротивление p-n перехода увеличивается, величина обратного тока уменьшается до I₀ (рис.6,б), а напряжение на диоде стремится к величине U_обр (рис.6,в). В момент времени t^V заканчивается восстановление обратного сопротивления диода. Для большинства диодов время t₂=t^V-t^IV составляет 0,1τ_p и слабо зависит от режима переключения.

Полная длительность процесса переключения диода в закрытое состояние называется временем восстановления.

Основной путь повышения быстродействия диодов состоит в уменьшении величены τ_p.Современные импульсные диоды имеют время восстановления порядка единиц наносекунд.

7