Принцип измерения времени жизни неосновных неравновесных носителей заряда в базе диода

Как уже упоминалось, одним из способов создания неравновесных носителей заряда является пропускание электрического тока через p-n-переход. При пропускании прямого тока происходят инжекция неос­новных неравновесных носителей заряда и их накопление в базовой области. В зависимости от полярности внешнего сигнала этот заряд либо возрастает, либо уменьшается (рассасывается). Время рассасыва­ния накопленного заряда определяется временем жизни неосновных неравновесных носителей заряда. Исследуя реакцию p-n-перехода на воздействие достаточно быстро меняющегося внешнего напряжения, можно найти время жизни неосновных неравновесных носителей τ.

Процесс инжекции дырок (для определенности рассмотрим n-базy), сопровождающий протекание прямого тока, приводит к изменению концентрации носителей заряда в базовой области. Возникает повышенная неравновесная концентрация дырок около p-n-перехода по сравнению с их концентрацией в остальном объеме базы. Возникшая неравномерность распределения дырок побуждает их диффундировать в направлении от p-n-перехода в глубь кристалла. В процессе этой диффузии часть дырок рекомбинирует с электронами в объеме базы (либо в плоскости омического контакта), поэтому их концентрация постепенно уменьшается. При длительном протекании прямого тока процесс инжекции дырок уравновешивается процессом их рекомбина­ции и возникает некоторое установившееся состояние, характеризую­щееся таким распределением дырок в базе, при котором их концентра­ция превышает равновесную вблизи p-n-перехода и спадает, стремясь к равновесной, при удалении от него:

. (5.10)

Такое распределение дырок в базе диода при протекании прямого тока получается из решения уравнения диффузии:

, (5.11)

здесь p_n1 - максимальная концентрация неосновных неравновесных носителей заряда (дырок) вблизи p-n-перехода (при х =0);

L_p, D_p - диффузионная длина и коэффициент диффузии дырок;

х - расстояние, отсчитываемое от плоскости p-n-перехода в глубь базы;

Р_по - равновесная концентрация дырок в базе (т.е. в n-области).

Отметим, что данные рассуждения справедливы при низком уровне возбуждения (т.е. при p_n1/<1).

При переключении диода на обратное напряжение через него в первый момент может протекать очень большой обратный ток (т.к. обратный ток диода определяется концентрацией неосновных неравновесных носителей заряда в базе вблизи p-n-перехода, а эта концентрация велика), т.е. сопротивление p-n-перехода в этот момент близко к нулю. Но поскольку в любой реальной цепи последовательно с диодом имеется отличное от нуля сопротивление нагрузки, то максимальная величина обратного тока диода ограничивается этим сопротивлением. Таким образом, в течение некоторого времени t₁ после переключения величина обратного тока определяется только параметрами внешней цепи (сопротивлением нагрузки R_н и величиной обратного (запирающего) импульса U_имп):

. (5.12)

Эта ситуация сохраняется до тех пор, пока распределение дырок в базе не изменится так, что сопротивление p-n-перехода уже нельзя считать равным нулю. Происходит рассасывание неравновесных дырок в базе, и обратный ток начинает уменьшаться (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Изменения тока диода при переключении с прямого напряжения на обратное.

Величину t₁ можно найти из выражения для распределения дырок в базе диода после переключения:

(5.13)

Здесь erf означает интеграл ошибок, a erfc — дополнение интеграла ошибок до единицы, т.е.

. (5.14)

Выражение (5.13) является решением уравнения диффузии (3.11) после переключения диода на обратное напряжение.

Полагая в (5.13) р=0 при х=0 и t=t₁, учитывая (5.14), получим следующее соотношение:

. (5.15)

Присоотношение (5.15) сводится к простому выражению, позволяющему определить:

или (5.16)