Ключевой режим.
Полупроводниковые приборы широко используются в качестве переключателей, т.е. устройств, имеющих два состояния: «открыто», когда сопротивление прибора очень мало, и «закрыто», когда оно очень велико. Время перехода диода из одного состояния в другое должно быть по возможности малым, так как этим определяется быстродействие аппаратуры.
Переходные процессы в полупроводниковых приборах существенно зависят от амплитуды импульса.
При малых плотностях тока переходные процессы в диоде определяются зарядом и разрядом барьерной ёмкости диода. Аналогичные процессы совместно с конечным временем пролёта носителей через базу определяют переходные характеристики транзистора в активном режиме.
Ключевой режим работы характеризуется большой амплитудой переключающего импульса, когда диод или транзистор переходят из состояния с большим внутренним сопротивлением (ключ разомкнут) в состояние с малым сопротивлением (ключ замкнут) и обратно. В этом режиме основными процессами, определяющими переходные характеристики, являются процессы накопления и рассасывания неравновесных носителей в базе прибора. Процессы заряда и разряда барьерных ёмкостей играют второстепенную роль. Ключевой режим работы полупроводниковых приборов лежит в основе принципа действия цифровых электронных схем.
|
|
Включение и выключение диода.
Рассмотрим явления, происходящие в диоде при прохождении через него прямоугольного импульса тока. Диод условно можно представить в виде эквивалентной схемы, показанной на рис. 1. В этой упрощённой схеме диод представляется в виде последовательного |
соединения сопротивления базы rб и нелинейного сопротивления р-n – перехода r п, параллельно которому включена ёмкость C д, складывающаяся из барьерной и диффузионной ёмкостей диода.
Рис.2
Временные диаграммы тока падения напряжения на базе, на переходе и суммарного напряжения на диоде при подаче импульса прямого тока представлены на рис.2. В начальный момент времени напряжение на диоде U1 определяется падением напряжения на сопротивлении базы r б0; напряжение на переходе, шунтированном ёмкостью, отсутствует. По мере накопления дырок в базе сопротивление базы и, следовательно, напряжение на ней уменьшается. Ёмкость перехода заряжается, и напряжение перехода увеличивается.
В момент окончания импульса тока падение напряжения на базе диода скачком падает до нулевого значения. Величина скачка напряжения на диоде U2 – U3 определяется амплитудой импульса тока I1 и установившимся значением сопротивления базы rб уст..
Таким образом,
|
|
r б0 = U1 / I1, r буст=(U2 – U3)/ I1. | (1) |
Время установления прямого напряжения определяется на уровне 1,1 от установившегося значения при большом уровне инжекции или на уровне 0,9 U2 и при малом уровне инжекции, когда напряжение на диоде возрастает.
После окончания импульса прямого тока напряжение на диоде определяется концентрацией неравновесных носителей в базе на границе
c p-n- переходом:
(2) |
где – температурный потенциал (при комнатной температуре рn|x= 0 – концентрация дырок в базе на границе с p–n - переходом; pno – равновесная концентрация дырок в базе.
Накопленные вблизи p-n- перехода дырки исчезают вследствие рекомбинации. Кроме того, они диффундируют вглубь базы. Основной вклад в изменение концентрации вносит рекомбинация, что приводит к экспоненциальному уменьшению концентрации дырок вблизи запорного слоя. При больших уровнях инжекции спад напряжения на диоде на начальном участке происходит по линейному закону:
, | (3) |
где t p – время жизни неравновесных носителей в базе. Эта закономерность нарушается, когда избыточная концентрация дырок становится соизмеримой с равновесной. В конце переходного процесса наблюдается более крутой спад напряжения на диоде.
Уравнение (3) позволяет легко определить время жизни дырок в базе диода:
(4) |
Для этого измеряют перепад напряжения D UД на линейном участке кривой UД (t) и время D t соответствующее этому перепаду.
Переключение диода из прямого направления в обратное.
Рассмотрим диод, включённый в схему последовательно с резистором (рис.3). Переходные процессы в диоде, протекающие при смене полярности напряжения источника, зависят от величины сопротивления. Если сопротивление R мало, ток в цепи определяется током диода, так как большая часть напряжения прикладывается к диоду. Если же сопротивление R велико, то ток через диод обусловлен этим сопротивлением, по крайней мере, до тех пор, пока концентрация неосновных носителей на границах запорного слоя остаётся повышенной.
В ключевом режиме прямой ток, как правило, ограничен сопротивлением R, прямое напряжение на диоде мало по сравнению с напряжением источника.
Временные диаграммы для этого случая приведены на рис.4:
Процессы при переключении диода. В исходном состоянии диод находится при обратном смещении – E 2, в цепи протекает ничтожный обратный ток I 0. В момент t =0 подан импульс прямого напряжения E 1 (рис.4 а). Прямой ток ограничен сопротивлением R: I 1= E 1/ R, на диоде возникает падение напряжения D U 1= r б0 I 1. По мере заряжения емкости диода напряжение на диоде возрастает до максимального значения U пр,и, а затем уменьшается из-за уменьшения сопротивления базы. Время установления прямого напряжения определяется по уровню 1,1 от установившегося значения.
При переключении на обратное напряжение – E2 возникает обратный ток I2:
I 2 = (E 2 +U*)/ R,
где U* – напряжение открытого
р-п -перехода. На диоде появляется скачок напряжения Δ U 2 (рис.4 в), обусловленный изменением падения напряжения на установившемся сопротивлении базы
r б уст:
Δ U 2 = (I 1 +I 2) r б уст
При этом на диоде сохраняется прямое напряжение, происходит рассасывание заряда: неосновные носители экстрагируются током через р-п -переход и частично исчезают за счет рекомбинации. Время, за которое концентрация неравновесных носителейзаряда на границе р-п -перехода обращается в ноль, t р, называется временем рассасывания. Время рассасывания t р, можно оценить по приближённой формуле
(5)
После этого начинается процесс восстановления обратного сопротивления. Время восстановления обратного сопротивления диода t вос определяется как время, в течение которого обратный ток диода после переключения полярности приложенного напряжения с прямогона обратное достигает заданного уровня. Обычно принимается уровень 0,1 или 0,01 от значения прямого тока.
|
|