20 Вах полупроводникового диода и его временные диаграммы тока и напряжения при переключении

Временные диаграммы тока и напряжения диода при его переключении. Обратимся к схеме на рис. 1.27. Предпола­гается, что вначале ключ К подключает источник напряжения u1, а затем, в момент времени t = 0, источник на­пряжения u2.

Рис. 1.27

Предполагается также, что напряжения u1 и u2 значитель­но больше прямого падения напряжения на диоде. Изобра­зим соответствующие временные диаграммы (рис. 1.28).

Рис. 1.28

До момента времени t = 0 протекает ток i1, который, с уче­том принятого условия u1 >> u, определяется выражением

Сразу после переключения ключа К и в течение времени рассасывания tрас протекает ток i2, который ограничивается практически только сопротивле­нием R, т.е.

В этот отрезок времени в базе диода уменьшается (рас­сасывается) заряд накопленных при протекании тока i1 неравновесных носителей. Заряд уменьшается в результате рекомбинации и перехода неосновных носителей в эмит­тер.

По истечении времени tpаc концентрация неосновных носителей в базе на границе p-n-перехода становится рав­ной равновесной. В глубине же базы неравновесный за­ряд еще существует. Длительность времени рассасывания прямо пропорциональна среднему времени жизни не­основных носителей в базе и зависит от соотношения то­ков i1 и i2 (чем больше по модулю ток i2, тем меньше, при заданном токе i1, время рассасывания).

В момент времени t1 напряжение на диоде начинает быстро возрастать по модулю, а ток i уменьшаться по мо­дулю (спадать). Соответствующий интервал времени tсп называют временем спада. Время спада отсчитывают до того момента t2, которому соответствует достаточно малое (по модулю) значение тока i2. Время спада зависит от времени жизни носителей, а также от барьерной емкости диода и от сопротивления R схемы. Чем больше указанные емкость и сопротивление R, тем медленнее спадает ток.

Отрезок времени tвос = tрас + tсп называется временем восстановления (временем обратного восстановления).

После завершения переходного процесса (момент вре­мени t3) через диод течет ток iобр.уст – обратный ток в ус­тановившемся режиме (определяемый по статической вольт-амперной характеристике диода).

Вольт-амперная характеристика диода имеет вид сплошной линии, и определяется следующим выражением:

где Uд — напряжение на р-n-переходе. Здесь K—постоянная Больцмана; Т—абсолютная температура; q —заряд электрона. Формула соответствует ВАХ идеального p—n- перехода и не отражает некоторых свойств реального диода. При определенном значении напряжения Uo6p начинается лавинообразный процесс нарастания тока Iобр, соответствующий электрическому пробою р-п-перехода (отрезок АВ). Если в этот момент ток не ограничить, то электрический пробой переходит в тепловой (участок ВАХ после точки В). Такая последовательность лавинообразного процесса нарастания тока Iобр характерна для кремниевых диодов. Для германиевых диодов с увеличением обратного напряжения тепловой пробойp-n-перехода наступает практически одновременно с началом лавинообразного процесса нарастания тока Iобр. Электрический пробой обратим, т.е. после уменьшения напряжения Uo6р работа диода соответствует пологому участку обратной ветви ВАХ. Тепловой пробой необратим, так как разрушает р—n-переход. Прямой ток диода также зависит от температуры окружающей среды, возрастая с ее повышением, хотя и в значительно меньшей степени, чем обратный ток. Для оценки температурной зависимости прямой ветви ВАХ диода служит температурный коэффициент напряжения, К^-1, который показывает относительное изменение прямого напряжения за счет изменения температуры на 1 К при некотором значении прямого тока.