double arrow

Включение и выключение диода.

1

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 U2U3 определяется амплитудой импульса тока I1 и установившимся значением сопротивления базы rб уст..

Таким образом,

r б0 = U1 / I1,  r буст=(U2U3)/ 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.







Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:  


1

Сейчас читают про: