2.2.13. Частотные свойства p-n-перехода
Наиболее часто диоды с р-п-переходом используют для выпрямления, детектирования, модуляции напряжения синусоидальной или почти синусоидальной формы.
Рассмотрим поведение р-п-перехода при воздействии на него синусоидального тока или напряжения различной частоты. Подадим на вход цепи, состоящей из последовательного соединения с р-п-переходом резистора R (рис. 2.29), напряжение Е(t) = Uтахsint, где Uтах - амплитуда напряжения; = 2f - круговая частота; f =1/T — циклическая частота; T — период колебаний; t - время. Переходные процессы в р+- п-переходе протекают в течение времени порядка времени жизни дырок р в п-базе. На низкой частоте, когда р << 1 (или Т >> р), для каждого момента времени изменения синусоидального напряжения переходные процессы, связанные с рекомбинацией, успевают установиться. Такой режим называют квазистационарным. Форма тока через р-п-переход, как показано на рис. 2.30, а, оказывается несинусоидальной. Ток диода протекает практически только в первом полупериоде. Значение выпрямленного тока равно среднему значению тока за период Т и составляет Iвп.ср Umax/(R). На повышенной частоте, когда р 1 (или период Т р), выпрямляющие свойства р-п-перехода ухудшаются. При таких частотах дырки, инжектированные в п-базу за положительный полупериод, не успевают полностью рекомбинировать в базе. Во время отрицательного полупериода часть накопленных в п-базе дырок рекомбинирует, а часть уходит в р+-область, создавая всплеск обратного тока (рис. 2.30, б), наибольшее мгновенное значение которого Iобр,и.
Рис. 2.29. Схема включения диода
а б в
Рис. 2.30. Кривые тока через диод на низких (а), средних (б)
и высоких (в) частотах
Интервал времени между моментом Т/2 и моментом t1 называется временем запаздывания обратного напряжения tзп, так как в течение этого интервала полярность напряжения диода соответствует прямому направлению. Значение tзп 0,5р. Далее обратный ток спадает, стремясь к своему стационарному значению. Условное окончание фазы спада устанавливают по заданному уровню обратного тока, например 0,25Iобр,и. Время спада обратного тока tсп = t1 – t2 (0,3 – 0,4)р. Время обратного восстановления tвос = t2 - Т/2 = tзп + tсп 0,5р.
На очень высоких частотах р >> 1 заряд дырок, введенных в n-базу за положительный полупериод, полностью выводится во внешнюю цепь за отрицательный полупериод и диод теряет выпрямительные свойства (рис. 2.30, в).
Частотная характеристика выпрямленного тока имеет спадающий с ростом частоты вид, как показано на рис. 2.31. Частотная зависимость выпрямленного тока имеет спадающий с ростом частоты вид.
Перезаряд барьерной емкости, затягивающий в основном фазу спада тока диода, зависит от значения R, поэтому с увеличением R частотный диапазон выпрямленных токов сужается.
Рис. 2.31. Зависимость относительного значения
выпрямленного тока от частоты переменного напряжения
2.2.14. Эквивалентные схемы р-п-перехода
Для расчета электронных схем, содержащих диоды с р-п-переходом используют эквивалентные схемы замещения. Полное математическое описание физических процессов в р-п-переходе достаточно сложно, поэтому р-п-переход заменяют упрощенной моделью, описываемой системой уравнений, или некоторой эквивалентной схемой, содержащей сопротивления, емкости, индуктивности, источники тока или напряжения. К эквивалентным схемам применимы известные методы расчета электрических цепей.
Следует различать два вида эквивалентных схем: для малых (расчет режимов на высоких частотах) и для больших (импульсный режим) сигналов.
Эквивалентные схемы для малых сигналов используются когда переменная составляющая сигнала значительно меньше постоянных токов и напряжений, поэтому переход в первом приближении можно считать линейным элементом
Эквивалентная схема при работе р-п-перехода на малом сигнале приведена на рис. 2.32, а. Сопротивление R0 в этой схеме представляет собой суммарное сравнительно небольшое сопротивление n- и р-областей и контактов этих областей с выводами. Нелинейное сопротивление Rнл при прямом напряжении равно Rпр, т.е. невелико, а обратном напряжении Rнл = Rобр, т.е. оно очень большое. Приведенная эквивалентная схема в различных частных случаях может быть упрощена. На низких частотах емкостное сопротивление очень велико и можно емкость не учитывать. Тогда при прямом напряжении в эквивалентной схеме остаются лишь сопротивления R0 и Rпp (рис. 2.32, б), а при обратном напряжении - только сопротивление Rобр, так как R0 << Rобр (рис. 2.32, в). На высоких частотах емкости имеют сравнительно небольшое сопротивление. Поэтому при прямом напряжении получается схема по рис. 2.32, г (если частота не очень высокая, то Сдиф практически не влияет), а при обратном остаются Rобр и Сб (рис. 2.32, д).
Следует иметь в виду, что существует еще емкость Св между выводами диода, которая может заметно шунтировать диод на очень высоких частотах. Она показана на рисунке штрихами. На СВЧ может также проявляться индуктивность выводов.
Рис. 2.32. Эквивалентная схемы р-п-перехода
для малого сигнала
Эквивалентная схема для большого сигнала используется в тех случаях, когда постоянный сигнал по величине сравним с переменной составляющей. Эта схема содержит следующие элементы. Сопротивление rБ представляет собой омическое сопротивление базы (высокоомной области структуры диода), сопротивление rут - сопротивление утечки реального диода. Сопротивление базы при большом сигнале - нелинейный элемент. Диод - нелинейный элемент, отражает накопление и рассасывание носителей заряда в базе р-п-перехода. Динамические свойства диода отражаются барьерной Сбар и диффузионной Сдиф емкостями. Барьерная емкость зависит от напряжения на р-п-переходе. Обычно используют значение барьерной емкости для заданного диапазона изменения напряжения. Диффузионная емкость, отражающая накопление неосновных неравновесных носителей заряда, зависит от величины прямого тока. К этой схеме можно также добавить емкость Св между выводами диода, которая может заметно шунтировать диод на очень высоких частотах и индуктивность выводов, которые определяются также как и малосигнальной схеме.
Рис. 2.33. Эквивалентная схемы р-п-перехода
для большого сигнала