2.2.12. Переходные процессы в p-n-переходах
Переходные процессы в p-n-переходах связаны в основном с двумя явлениями, происходящими при быстром изменении напряжения на p-n-переходе или тока через p-n-переход.
Первое из них - это накопление неосновных носителей заряда в базе p-n-перехода при его прямом включении и их рассасывание при уменьшении напряжения. Так как электрическое поле в базе p-n-перехода обычно невелико, то движение неосновных носителей в базе определяется законами диффузии и происходит относительно медленно. Поэтому накопление носителей в базе и их рассасывание могут влиять на свойства p-n-перехода в режиме переключения.
Второе явление, происходящее в p-n-переходах при их переключении, - это перезарядка барьерной емкости, которая также происходит не мгновенно и поэтому может влиять на свойства p-n-переходов.
При сравнительно больших плотностях прямого тока через p-n-переход (высокий уровень инжекции) существенно накопление неосновных носителей в базе, а перезарядка барьерной емкости является второстепенным процессом. При малых плотностях тока (низкий уровень инжекции) переходные процессы в p-n-переходе определяются перезарядкой барьерной емкости, накопление же неосновных носителей заряда в базе практически не сказывается.
Временные зависимости напряжения и тока, характеризующие переходные процессы в p-n-переходе, зависят также от сопротивления внешней цепи, в которую включен p-n-переход. Поэтому рассмотрим четыре предельных случая переходных процессов в несимметричном p-n-переходе.
Переходные процессы при высоком уровне инжекции в режиме генератора напряжения. Рассмотрим процессы, происходящие в p-n-переходе при его включении в цепь с малым полным сопротивлением (в том числе и с малым сопротивлением источника питания) по сравнению с сопротивлением p-n-перехода.
При подаче на p-n-переход прямого напряжения ток через него устанавливается не сразу, так как с течением времени происходит накопление в базе инжектированных через p-n-переход неосновных носителей (дырок) и уменьшение в связи с этим сопротивления базы (рис. 2.25). Этот процесс модуляции сопротивления базы происходит не мгновенно, так как накопление дырок в базе связано с относительно медленным процессом диффузии их от p-n-перехода в глубь базы.
По мере накопления дырок и уменьшения сопротивления базы происходит перераспределение всего внешнего напряжения между сопротивлением базы и ОПЗ p-n-перехода; падение напряжения на базе уменьшается (рис. 2.25, б), а на ОПЗ увеличивается (рис. 2.25, в), вызывая увеличение уровня инжекции. При длительном прохождении прямого тока процесс инжекции дырок уравновешивается процессом их рекомбинации. Возникает некоторое установившееся состояние, характеризующееся таким распределением дырок в базе, при котором их концентрация превышает равновесную вблизи p-n-перехода и снижается, стремясь к равновесной, при удалении от него в глубь базы.
Рис. 2.25. Зависимость от времени напряжения
на p-n-переходе (а), напряжения на базе (б), напряжение на ОПЗ р-п-перехода (в) и тока через p-n-перехода (г) при работе на больших импульсах напряжения и тока в режиме
генератора напряжения
О значении тока через р-п-переход можно судить по градиенту концентрации дырок в базе около p-n-перехода. Градиент концентрации дырок около p-n-перехода возрастает с увеличением напряжения на p-n-переходе при постоянном напряжении и при уменьшении напряжения на базе. Следует отметить, что сопротивление базы уменьшается не только из-за увеличения концентрации неосновных носителей (дырок), но и из-за увеличения концентрации основных носителей (электронов). Концентрация электронов около p-n-перехода возрастает в соответствии с принципом электрической нейтральности, согласно которому в любой части базовой области сумма всех зарядов должна быть равна нулю. Очевидно, что число накопленных дырок в базе тем больше, чем больше ток через p-n-переход и чем больше время жизни дырок. Кроме того, число накопленных дырок зависит от геометрии базы.
При переключении p-n-перехода с прямого напряжения на обратное в начальный момент наблюдается большой обратный ток, ограниченный в основном последовательным сопротивлением базы. Источник питания вместе с сопротивлением базы в это время можно считать генератором тока для p-n-перехода.
После переключения p-n-перехода на обратное напряжение начинается процесс рассасывания неосновных носителей, накопленных в базе. Из-за ограничения обратного тока концентрация дырок в базе около p-n-перехода не может мгновенно уменьшиться до равновесного значения. Пока концентрация дырок в базе около p-n-перехода превышает равновесное значение, на ОПЗ p-n-перехода сохраняется прямое падение напряжения (рис. 2.25, в).
После уменьшения концентрации дырок в базе около p-n-перехода до нуля обратный ток начинает уменьшаться со временем, о чем свидетельствует уменьшение градиента концентрации дырок около p-n-перехода. С течением времени все накопленные в базе дырки уходят через p-n-переход или рекомбинируют в базе, в результате чего обратный ток уменьшается до стационарного значения тока насыщения (рис. 2.25, г). В это время заканчивается восстановление обратного сопротивления p-n-перехода.
Процесс рассасывания накопленных носителей происходит значительно медленнее процесса их накопления, поэтому именно процесс рассасывания и определяет частотные свойства большинства p-n-переходов.
Переходные процессы при высоком уровне инжекции в режиме генератора тока. Этот режим соответствует включению p-n-перехода в схему с большим сопротивлением, которое и определяет значение тока в цепи с p-n-переходом. Рассмотрим процессы, происходящие в p-n-переходе, при прохождении через него импульса прямого тока прямоугольной формы (рис. 2.26).
Рис. 2.26. Зависимость от времени тока на p-n-переходе (а), напряжения на базе (б), напряжения на ОПЗ перехода (в) и напряжения на p-n-переходе (г) при работе на больших импульсах тока в режиме генератора тока
В первый момент прохождения через p-n-переход импульса прямого тока на p-n-переходе падает относительно большое напряжение, которое в дальнейшем уменьшается из-за уменьшения сопротивления базовой области, связанного с накоплением неравновесных носителей в базе.
и
В момент окончания импульса тока через p-n-переход, то есть в момент разрыва цепи исчезает падение напряжения на объемном сопротивлении базы диода (рис. 2.26, б). Концентрация дырок в базе около р-п-перехода мгновенно измениться не может. Поэтому напряжение на ОПЗ и соответственно на p-n-переходе после выключения тока уменьшается замедленно по мере рекомбинации неравновесных носителей в базе. Остаточное напряжение на p-n-переходе уменьшится до нуля после рекомбинации всех неравновесных носителей заряда в базовой области.
Переходные процессы при низком уровне инжекции в режиме генератора напряжения. При приложении к p-n-переходу малого прямого напряжения (рис. 2.27) эффект модуляции сопротивления базы из-за малого уровня инжекции пренебрежимо мал. Поэтому сопротивление диода в данном случае имеет емкостный характер. В первый момент напряжение на p-n-переходе близко к нулю, а ток через p-n-переход ограничен только сопротивлением базы (рис. 2.27, в). По мере заряда барьерной емкости напряжение на p-n-переходе и ток через p-n-переход стремятся к некоторым установившимся значениям, которые определяются активной составляющей сопротивления p-n-перехода. В момент переключения p-n-перехода напряжение на барьерной емкости не может измениться мгновенно, оно достигает установившегося значения через некоторое время. Ток через p-n-переход также зависит от времени, что характерно для емкостного сопротивления.
Рис. 2.27. Зависимость от времени напряжения
на p-n-переходе (а), напряжения на ОПЗ перехода (б) и тока через p-n-переход (в) при малых импульсах напряжения
в схеме с генератором напряжения, а также
эквивалентная схема диода для малых сигналов (г)
Переходные процессы при низком уровне инжекции в режиме генератора тока. Осциллограммы импульса прямого тока малой амплитуды и падения напряжения на p-n-переходе при питании от генератора тока представлены на рис. 2.28. В первый момент пропускания импульса тока через p-n-переход весь ток состоит из емкостной составляющей. Поэтому напряжение на p-n-переходе в первый момент определяется падением напряжения на сопротивлении базы. По мере заряда барьерной емкости увеличивается и напряжение на p-n-переходе. При выключении p-n-перехода на нем некоторое время сохраняется остаточное напряжение, уменьшающееся со временем. Остаточное напряжение в данном случае связано с тем, что барьерная емкость остается еще заряженной. По мере разряда этой емкости через активное сопротивление p-n-перехода уменьшается напряжение на емкости и остаточное напряжение на p-n-переходе.
Рис. 2.28. Зависимость тока через p-n-переход (а)
и напряжения на p-n-переходе (б) при работе на малых импульсах тока в схеме с генератором тока