книги из ГПНТБ / Воронков Э.Н. Основы проектирования усилительных и импульсных схем на транзисторах учеб. пособие [для сред. спец. учеб. заведений]

Пробивное напряжение зависит от температуры диода. Ха­ рактер этой зависимости определяется параметрами полупровод-

'пикового материала, из которого изготовлен диод, и его кон­ струкцией.

При увеличении температуры изменяется не только напряже­ ние пробоя, но и вся вольт-амперная характеристика диода. Эта особенность полупроводниковых диодов должна учитываться при проектировании и эксплуатации аппаратуры. ,

Наименьшим изменениям подвергается прямая ветвь харак­ теристики диодов. С увеличением температуры происходит

Рис. 2.5. Вольт-ампер­ ная характеристика дио­ да Д2 при различных температурах

уменьшение прямого падения напряжения; это объясняется уменьшением величины контактной разности потенциалов и со­ противления объема полупроводникового кристалла с увеличе­ нием температуры.

Наиболее сильно от температуры зависит обратный ток js. Этот ток пропорционален концентрациям неосновных носителей в п- и p-областях. При повышении температуры возрастает гене­ рация электронно-дырочных пар и концентрация неосновных носителей повышается, что приводит к увеличению обратного тока. Для германиевых р—п-переходов.изменение обратного тока при изменении температуры на 1° составляет примерно 10%, а для кремниевых — 20%.

Однако поскольку ширина запрещенной зоны кремния боль­ ше, чем у германия, генерация неосновных носителей в нем бу­ дет идти значительно слабее, и величина обратного тока крем­ ниевых диодов может в тысячи раз быть меньше, чем у герма­ ниевых. Поэтому кремниевые приборы могут работать при бо­ лее высоких температурах.

На рис. 2.5 в качестве примера показаны вольт-амперные характеристики кремниевого диода, снятые при различных тем­ пературах.

20

§2 .2 . ИНЖЕКЦИЯ НЕОСНОВНЫХ НОСИТЕЛЕЙ. ДИФФУЗИОННАЯ ЕМКОСТЬ

Диффузионный ток состоит из основных носителей заряда, прони­ кающих в область полупроводника, для которой они являются неосновными носителями. Концентрация неосновных носителей

нируют с основными носителями—электронами и их концентра­ ция постепенно, по' мере увеличения расстояния, снижается до равновесной концентрации, определимой тепловой генерацией

где tip' — концентрация электронов в p-области на границе

с/2-областью.

*От слова inject (англ.) — впрыскивать, вводить.

21

Граничная концентрация пр определяется числом электро­ нов, вошедших в д-область, и так же, как и диффузионный ток, экспоненциально зависит от высоты барьера:

где Про — концентрация электронов в глубине /7-области (она определяется тепловой генерацией);

Ln — диффузионная длина для электронов (она равна рас­ стоянию, на котором концентрация электронов, введен­ ных в p-область, убывает в е раз).

Время, в течение которого концентрация инжектированных носителей убывает в е раз,,называется временем жизни и обозна­ чается для электронов тп и для дырок хр.

Диффузионная длина связана с коэффициентом диффузии и временем жизни. Эта зависимость имеет вид

і п= у ц ^ .

Аналогичные соотношения характеризуют поведение дырок:

где рпо — концентрация дырок в глубине «-области (она опреде­ ляется тепловой генерацией);

Lp — диффузионная длина для дырок.

Инжекция неосновных носителей не сопровождается нару­ шением электронейтральности тех областей, куда они вводятся, т. е. инжекция не приводит к появлению поля в объеме полупро­ водника.

Рассмотрим это на примере дырок. Дырка, вошедшая в «-об­ ласть (см. рис. 2.6, а), представляет некоторый положительный объемный заряд, поле которого распространяется по полупровод­ нику и приводит к «подтягиванию» электрона. Отрицательный заряд этого электрона должен скомпенсировать заряд дырки. Однако в месте, откуда ушел электрон, тоже появляется положи­ тельный заряд, притягивающий следующий электрон, и т. д. Этот процесс мгновенно распространяется по кристаллу и дохо­ дит до контакта, где избыточный положительный заряд компен­ сируется электроном, вышедшим из контакта с батареей. Таким образом, сколько дырок вошло в «-область через р—«-переход,

22

Выражение в скобках примерно равно дырочному току через переход. Действительно, при приложении прямого напряжения можно пренебречь дрей­ фовым током и считать, что

Ір — Ір лиф!

Ток инжекции в n-область полностью дырочный при х=0, поэтому

L P

Учитывая, что Lp - / Dpxpt получим

Подставив это выражение в (2. 16) для диффузионной емкости, получим

т. е. диффузионная емкость зависит от тока через диод, температуры и вре­ мени жизни.

При конструировании быстродействующих диодов, для того чтобы умень­ шить диффузионную емкость, часто вводят дополнительные примеси, умень­ шающие время жизни.

§2.3. БАРЬЕРНАЯ ЕМКОСТЬ р—я-ПЕРЕХОДА

Вэлектронно-дырочном переходе имеется двойной электри­ ческий слой из зарядов, связанных с донорами и акцепторами. Этот двойной электрический слой подобен заряженным обклад­ кам конденсатора и обладает емкостью, которую называют барь­ ерной или емкостью р—л-перехода.

Величину емкости р—л-перехода можно определить по такой же формуле, как и для плоского конденсатора

Емкость р—л-перехода существует при.прямом и обратном включении диода. Однако при прямом включении эта емкость зашунтирована малым сопротивлением р—л-перехода и ее влия­ ние невелико. При обратном включении диода емкость р—л-пере- хода шунтирует большое обратное сопротивление перехода, что приводит к ухудшению его частотной характеристики.

24

При увеличении обратного напряжения поле в р—«-переходе возрастает и область пространственного заряда расширяется. Увеличение ширины р—«-перехода приводит к уменьшению емкости.-

С,пФ

WO

Рис. 2.7. Зависимость gg барьерной емкости диода Д901А от величины об- gg

ратного напряжения

На рис. 2. 7 в качестве примера показана зависимость барь­ ерной емкости германиевого диода Д901А от величины обратного напряжения.

§ 2.4. ЧАСТОТНЫЕ СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА

Частотные свойства диода определяются в основном емкостью р—«-перехода. На рис. 2.8 показана упрощенная эквивалентная схема диода, где г0— сопротивление объема полупроводникового материала; гп — сопротивление р—«-перехода, оно определяется вольт-амперной характеристикой диода (при прямых смещениях низкое, при обратных — высокое); С — емкость р—«-перехода.

Качество выпрямления характеризуется отношением обрат­ ного сопротивления диода к прямому. Чем выше это отношение, тем лучше выпрямительные свойства диодов. Обратное сопро-

тивление диодов, как видно из эквивалентной схемы, опреде­ ляется параллельным соединением г„ и реактивного сопротивле­ ния емкости С. С повышением частоты сопротивление емкости падает, что приводит к уменьшению обратного сопротивления диода и снижению коэффициента выпрямления. На частотах, при которых сопротивление емкости становится сравнимым с го, вен­ тильные свойства диода практически исчезают. Поэтому в дио­ дах, предназначенных для работы на высоких частотах, стре­ мятся уменьшить емкость р—«-переходов. Кроме того, сопро­ тивление полупроводникового материала выбирается малым для снижения прямого сопротивления диода.

25

§ 2. 5. ИМПУЛЬСНЫЕ СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА

При работе диода в режиме переключения импульсов боль­ шую роль играет накопление неосновных носителей в базе диода, т. е. диффузионная емкость.

На рис. 2.9 показан диод, работающий иа активную нагрузку. Сигнал подается от импульсного генератора. Такая схема обычно

используется для измерения импульсных характеристик диода. Диод в данном случае работает в качестве ключа. Когда по­ дается прямой импульс, сопротивление диода низкое (ключ замкнут), когда подается обратный импульс, сопротивление диода высокое (ключ разомкнут).

На рис. 2. 10, а показана форма тока через полупроводнико­ вый диод при его выключении. Из рисунка видно, что при изме­ нении полярности диод выключается не сразу, проходит некото­ рое время прежде, чем ои восстановит высокое обратное сопро­ тивление. Время восстановления зависит от сопротивления

26

нагрузки диода. Чем больше сопротивление, включенное последо­

соответствующее основным этапам его выключения (рис. 2. 10,6). 1. Момент времени Ч- Диод включен в прямом направлении, через него протекает прямой ток, в р-обл'асти устанавливается распределение инжектированных электронов, в «-области —

инжектированных дырок.

Поскольку процессы в обеих областях аналогичны, в даль­ нейшем будем рассматривать только «-область (см. рис. 2.10,6, кривая t\).

2. Момент времени t%. Подан импульс обратного напряжения. Обратное напряжение приложено к диоду и включенному после­ довательно с ним сопротивлению (см. рис. 2.9).

Сопротивление диода в предыдущий момент было низким и возрасти мгновенно оно не может, поскольку для этого необхо­ димо, чтобы возросло поле в р—«-переходе, т. е. чтобы появился дополнительный объемный заряд, препятствующий прохождению через переход диффузионного тока. Дополнительный объемный заряд появляется за счет обеднения р- и «-областей свободными носителями. Поэтому требуется некоторое время, чтобы рассо­ сался избыточный заряд около р—«-перехода, и затем концентра­ ция свободных носителей около перехода должна стать ниже рав­ новесной, т. е. область пространственного заряда должна рас­ шириться.

3.Момент /з соответствует рассасыванию инжектированного заряда.

4.Момент U соответствует установившемуся обратному току.

Область пространственного заряда расширилась, поле в переходе увеличилось и установилось высокое обратное сопротивление диода.

Величина накопленного в диоде заряда, а следовательно, и время восстановления определяются его диффузионной емко­ стью и тем больше, чем больше прямой ток. Кроме того, время восстановления сильно зависит от сопротивления, включенного последовательно с р—«-переходом. Действительно, чем меньше это сопротивление, тем больше разрядный ток диода, и тем быст­ рее происходит рассасывание накопившихся в нем электронов и дырок.

Поскольку в первый момент сопротивление диода очень мало, то импульс обратного тока может достигать больших значений (вплоть до Нобр/Я, где R — резистор, включенный последова­ тельно с р—«-переходом).

Инерционность обратного сопротивления диода приводит к ухудшению его частотных характеристик, особенно вредно это

Глава III

ТРАНЗИСТОРЫ

§3. 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ТРАНЗИСТОРЕ

ИЕГО СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

и коллекторная. Переход, который образуется на границе обла­

Принцип работы транзисторов обоих типов одинаков, разли­ чие заключается в том, что в транзисторе р—м-р-типа ток через

режиме работы эмиттерный переход смещен в прямом направле­ нии, коллекторный — в обратном.

Процессы, о которых говорилось при рассмотрении р—м-пере- ходов, смещенных в прямом и обратном направлениях, будут иметь место и в переходах транзистора..

Если бы эмиттерный и коллекторный переходы находились на большом расстоянии друг от друга и ширина базы была зна­ чительно больше диффузионной длины, то дырки, инжектирован­ ные эмиттерным переходом, не доходилибы до коллектора, а рекомбинировали в базе. И такая система из двух разнесенных переходов вела бы себя как два изолированных диода. Причем вольт-амперная характеристика эмиттерного перехода представ­

29