10

Курс «Физические основы электронной техники», 2003

Переходные процессы в p-n–переходе

Цель работы: изучить работу p-n–перехода при воздействии на него импульсных электрических сигналов.

Переходные процессы в p-n–переходе 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 происходят относительно медленно. Поэтому накопление носителей в базе и их рассасывание будут влиять на свойства полупроводниковых приборов, принцип действия которых основан на свойствах p-n–переходов (диоды, транзисторы), работающих в режиме переключения.

Второе явление, происходящее в p-n–переходах при их переключении, – это перезарядка барьерной емкости, что также происходит не мгновенно и поэтому может влиять на свойства p-n–переходов.

При сравнительно больших плотностях прямого тока через p-n–переход существенно накопление неосновных носителей в базе, а перезарядка барьерной емкости p-n–перехода является второстепенным процессом. При малых плотностях тока переходные процессы в p-n–переходе определяются перезарядкой барьерной емкости, накопление же неосновных носителей 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.)

Отпирание p-n–перехода

При отпирании p-n–перехода происходит переходной процесс, который проявляется в увеличении прямого сопротивления p-n–перехода. Процесс отпирания можно изучить по схеме, показанной на рис.1.

Рис.1. Схема включения p-n–перехода для изучения процесса отпирания

Такая схема включения обеспечивает токовый режим работы при условии, что сопротивление R на порядок превышает дифференциальное сопротивление p-n–перехода. Тогда источник импульсного напряжения U_Г с сопротивлением R будет работать в режиме генератора тока, поскольку величина тока I , отбираемого от источника U_Г, практически не зависит от падения напряжения на p-n–переходе U_Д

. (1)

Эпюры напряжения и тока показаны на рис.2.

Напряжение на p-n–переходе U_Д складывается из напряжения на объемном сопротивлении базы U_Б и на переходном слое U_C :

. (2)

При подаче ступени тока напряжение U_Б скачком увеличивается и достигает величины

(3)

Напряжение же на переходном слое U_C возрастает по мере накопления неосновных носителей в базе (заряд емкости перехода).

Это имеет место для токов малой амплитуды, когда не сказывается влияние эффекта модуляции объемного сопротивления базы (изменение проводимости области базы за счет инжекции неосновных носителей). При малых токах падение напряжения на r_б, изменение этого напряжения из-за модуляции этого сопротивления оказывается значительно меньше напряжения на переходном слое U_C. Суммарное напряжение U_Д после скачка величиной U_Б возрастает монотонно (рис.2, а).

При работе с токами большой амплитуды (рис.2, б) падение напряжения на объемном сопротивлении базы U_Б становится сравнимым с напряжением на переходном слое, причем напряжение U_Б сначала скачком возрастает до величины Ir_б0 , где r_б0 – значение объемного сопротивления базы, соответствующее равновесной концентрации носителей заряда. По мере накопления инжектированных носителей в базе ее проводимость возрастает, сопротивление r_б уменьшается. Суммарное напряжение U_Д сначала возрастает (из-за увеличения падения напряжения на переходном слое U_C, а затем спадает (из-за уменьшения падения напряжения на сопротивлении r_б). При этом эпюра суммарного падения напряжения имеет форму кривой с ярко выраженным максимумом.

Рис.2. Эпюры напряжения и тока при отпирании p-n–перехода: а – для импульса тока малой амплитуды; б – для импульса тока большой амплитуды

Эпюра напряжения на диоде U_Д позволяет определить основные импульсные параметры p-n– перехода при прямом включении:

• R_имп – импульсное сопротивление p-n–перехода

, (4)

• _уст – время установления прямого сопротивления p-n–перехода, которое определяется продолжительностью всплеска импульса напряжения U_Д ;

• R_пр – прямое сопротивление p-n– перехода

. (5)

Импульсное сопротивление R_Димп обычно в несколько раз больше прямого сопротивления R_пр. Время установления _уст определяется средним временем пролета носителей через область базы.