Твердотельная электроника.-3

287

Включение сильно легированного n+ уменьшает сопротивление Rб .

Для точечных диодов уменьшение площади p - n перехода позволяет увеличить предельную частоту.

В заключении данного раздела необходимо еще раз -под черкнуть важность рассмотренного явленияшунтирования

p - n перехода барьерной емкостью, поскольку именно это явление в значительной степени определяет частотные свойства приборов на основе p - n переходов.

4.14. Переходные процессы в ЭДП

Электронно-дырочный переход и приборы на его основе являются инерционным элементом по отношению к быстрым изменениям тока и напряжения. Связано это с тем, что при изменении напряжения изменяется ширина ОПЗ, т.е. идет процесс зарядки-разрядки барьерной емкости. Изменение напряжения вызывает также изменение зарядов инжектированных носителей, т.е. заряд-разряд диффузионной емкости. Протекание этих процессов наряду с наличием проводимости, характеризуемой выражением (4.42), приводит к тому, что p - n переход имеет

эквивалентную схему (рис.4.30), включающую параллельное соединение диффузионной и барьерной емкостей, которые и обуславливают инерционность процессов в p - n переходе при

воздействиях изменяющихся во времени сигналов. Причем надо иметь в виду, что при сравнительно больших прямых токах процессы накопления и рассасывания носителей заряда в базе(за-

ряд-разряд CD ) играют более важную роль, чем перезарядка барьерной емкости. При малых плотностях тока переходные процессы определяются перезарядкой барьерной емкости.

Временные зависимости напряжения и тока, характеризующие переходные процессы в p - n переходе, зависят также от

сопротивления внешней цепи, в которую включен переход. Принципиально отличающимися можно выделить четыре предельных случая переходных процессов в p - n переходе: про-

288

цессы при больших напряжениях и токах, когда диод включен в режиме с генератором тока и генератором напряжения и аналогичные процессы для малых напряжений и токов.

Необходимо отметить, что хотя для указанных четырех случаев осциллограммы токов и напряжений существенно отличаются, физические процессы, обуславливающие переходные процессы в p - n переходе, во всех случаях одни и те же: нако-

пление и рассасывание неосновных носителей заряда в базе, за- ряд-разряд барьерной и диффузионной емкостей. Поскольку наиболее часто диоды работают при воздействии импульсов большой амплитуды, то важно подробно рассмотреть переходные процессы, соответствующие уровню больших напряжений и токов. Процессы при воздействии малых напряжений рассмотрим кратко. Рассмотрим переходные процессы при включении и отключении диода, и переключения диода с прямой полярности на обратную.

Процессы при больших напряжениях и токах.

1. Режим работы в схеме с генератором напряжения.

В режиме с генератором напряжения диод включен так, что выполняя соотношение Rд >> R , где Rд - сопротивление диода,

R - полное сопротивление остальной цепи, включая сопротивление источника питания. Соответствующие осциллограммы токов и напряжений представлены на рис.4.35.

При подаче прямого напряжения на переход ток через него устанавливается не сразу, так как с течением времени происходит накопление в базе инжектированных дырок(рассматриваем p+ - n переход).

Учитывая, что ток через p - n переход определяется гради-

ентом концентрации, то рост тока во времени обуславливается увеличением последнего, что иллюстрирует рис.4.36. Увеличение граничной концентрации носителей свидетельствует об увеличении прямого смещения на p-n переходе. Когда процесс инжекции уравновесится процессом рекомбинации в базе диода возникает установившееся распределение концентрации неос-

289

новных носителей (t3 ) и ток в p-n переходе устанавливается на определенном уровне, равном Inp . Напряжение на переходе

U p-n так же перестает изменяться.

Падение напряжения на базе, определяемое как U Б = IRб , в

начальной момент велико, а затем спадает до стационарного значения.

Рисунок 4.35. Изменение во времени питающего напряжения (а), тока через диод (б), падение напряжения на ОПЗ перехода (в) и базе диода (г) при работе на больших импульсах от генератора напряжения

290

Спад падения напряжения обусловлен уменьшением сопротивления базыRб , из-за высокой концентрации носителей, воз-

никающей по причине высокого уровня инжекции. Таким образом можно говорить о том, что переходные процессы при включении диода связаны с процессом накопления носителей заряда в базе и зарядом диффузионной емкости. Барьерная емкость при этом также заряжается, но ее влияние проявляется в меньшей мере, так как рассматривается прямое включение и высокий уровень инжекции, когда главную роль играет диффузионная емкость.

Pn

t3

t2

t1

Pn0

tос

Х

Рисунок 4.36. Распределение концентрации инжектированных дырок в базе p+-n перехода в различные промежутки времени

Рассмотрим процесс переключенияp-n перехода с прямой полярности на обратную(рис. 4.37). В момент времени t = t3

напряжение скачком меняется с прямого на обратное. Зная, что основное свойство p-n перехода - это явление односторонней проводимости, можно было бы ожидать, что ток через переход

должен установиться на уровне малого обратного токаIoбp . И

это действительно будет так, но не сразу, а после того, как произойдут переходные процессы.

В момент времени t = t3 в базе перехода существует ста-

ционарное распределение концентрации неосновных носителей, создающих определенный градиент концентрации. При пере-

291

ключении носители заряда из базы мгновенно исчезнуть не могут, а, следовательно, не исчезнет и градиент концентрации неосновных носителей, задающий величину тока черезp-n- переход. Однако направление вектора градиента при этом поменяется на противоположный, что обеспечит протекание тока в

правлении то он имеет малое сопротивление и величина тока через переход определяется приложенным напряжением и -со противлением базы диода ( внутренне сопротивление генератора напряжения мало).

t5

t6 t7

t9

X

Рисунок 4.37. Распределение концентрации неосновных носителей в базе p-n перехода в различные моменты времени после переключения с прямой полярности на обратную

По мере рассасывания носителей(рис.4.37) напряжение на переходе остается прямым до t - t8 . При этом ток через p-n пе-

реход в обратном направлении может немного уменьшаться изза увеличения сопротивления базы в результате уменьшения концентрации носителей в базе. Основным механизмом рассасывания неосновных носителей заряда является процесс их ре-

комбинации. Процесс рекомбинации определяется временем жизни носителей. Поэтому по промежутку времениt pacc

(рис.4.35.б) можно оценивать время жизни неосновных носите-

292

лей в базеp-n перехода. Процесс рассасывания накопленных носителей происходит значительно медленнее процесса накопления, поэтому процесс рассасывания и определяет частотные свойства диодов на основе p-n перехода.

Ход осциллограммы падения напряжения на базе U б , поня-

тен с учетом того, что U б = IRб . После того как концентрация неосновных носителей на границеp-n перехода станет равна равновесной (рис.4.37. t6 ) напряжение на переходе уменьшится до нуля. В дальнейшем начнется увеличение обратного напряжения до U б =U oбp за счет перезарядки барьерной емкости.

При обратном напряжении наp-n переходе протекает процесс экстракции неосновных носителей (рис.4.37. t8 , t9 ). Обратный ток начинает уменьшаться и устанавливается на уровне обратного тока Ioбp = I S .

Таким образом, можно говорить о том, что переходные процессы при переключении диода с прямой на обратную -по лярность определяются процессом рассасывания неосновных носителей из базы диода, разрядом диффузионной и перезарядной барьерной емкостей. Длительность переходных процессов при этом контролируется в основном явлением рекомбинации и определяется временем жизни неосновных носителей в базе диода.

Важными параметрами переходных процессов являются время рассасывания и время восстановления (рис.4.35.б). Сумма этих времен дает важнейший параметр импульсных диодоввремя восстановления обратного сопротивления.

Время восстановления обратного сопротивления tвосст.обр. -

это время от момента переключения диода с прямой полярности на

обратную до момента, когда через диод установится ток, равный току насыщения.

2. Режим работы диода в схеме с генератором тока.

293

Режим генератора реализуется, когда последовательно с диодом включен резистор с большим сопротивлением так, что R >> Rд . Рассмотрим процесс включения и выключения диода

импульсом тока (рис.4.38). В режиме генератора тока ток в цепи диода определяется сопротивлением внешней цепи.

Падение напряжение на базе в момент подачи импульса тока велико, а затем спадает из-за уменьшения сопротивления базы, связанного с накоплением неосновных носителей в базе(рис. 4.38, б).

Падение напряжения на переходе U p-n возрастает во време-

ни до установившегося значения, поскольку в базе идет процесс накопления неосновных носителей(4.38.в). Ход зависимости U = f (t ) понятен, если учесть что U =U p-n +U Б , то есть фи-

зические процессы в p-n переходе при включении те же самые: накопление неосновных носителей в базеp-n перехода и заряд диффузионной емкости.

I

а)

t

UБ

б)

t

Up-n

в)

t

U

г)

t

Рисунок 4.38. Осциллограммы тока (а), падения напряжения на базе (б), на ОПЗ p-n перехода (в) и полное падение напряжения (г)

294

После окончания импульса тока происходит процесс рассасывания неосновных носителей, накопившихся в базе. При этом напряжение на переходе U p-n уменьшается до нуля за время,

определяемое временем жизни неосновных носителей.

По длительности спада напряжения можно оценить время жизни неосновных носителей в базе диода.

При воздействии на p-n переход малых напряжений и токов наблюдаются особенности, связанные с тем, что отсутствует эффект модуляции сопротивления базы и главную роль в переходных процессах играет не диффузионная, барьерная емкость. При этом длительность переходных процессов также определяется явлениями накопления и рассасывания неосновных носителей в базе диода.

4.15. Зависимость выпрямляющих свойств ЭДП от час-

тоты.

Одно из основных свойствp-n перехода - явление односторон- ней проводимости, позволяющее преобразовать переменный

сигнал в постоянный. Рассмотрим как изменяются выпрямляющие свойства перехода при увеличении частоты на примере синусоидального сигнала. Для этого оценим выпрямление в области низких (НЧ), средних (СЧ) и высоких частот (ВЧ). Критерием деления на указанные области частот является соотношение между временем жизни t и временем воздействия напряжения на

частот.

В области низких частот сигнал изменяется во времени медленно по сравнению сt и процессы рассасывания носителей успевают происходить. В этом случае имеем классическийp-n