Импульсные свойства р-n-перехода

Под импульсными свойствами p-n-перехода обычно понимают переходные процессы, происходящие при скачкообразном измене­нии полярности напряжения на р-n-переходе и прохождении через него импульса тока.

3.8.1. Переходные процессы при скачкообразном изменении полярности напряжения

Этот случай соответствует переклю­чению p-n-перехода из проводящего состояния в непроводящее, схематично представленному на рис. 3.25, где вместо реального импульсного генератора, обеспечивающего переключение от прямого напряжения U_r1 к обратному – U_r2 (рис. 3.26,а), использованы два ис­точника с напряжениями U_r1 и U_r2 и ключ К.

Для ограничения обратного тока включен резистор R. В положений 1ключа через р-n-переход протекает прямой ток I_пр (рис. 3.26,б), а на переходе существует прямое напряжение (рис. 3.26,в). После переключения в р-n-переходе должен протекать обратный ток, изменение которого можно пояснить с помо­щью распределения концентрации неосновных носителей в базовой области, за которую принята n-область (N_а>>N_д).

Исходное распределение концентрации дырок в n-области р_n(х) до переключения (t < 0) изображено кривой 1 на рис. 3.27. Разность р_n - р_n0 представляет собой концентрацию избыточных дырок, накопленных в базе. Значение р_n(0) при х = 0 соответствует границе обедненного слоя (перехода). Распределение концентрации дырок в базе и значение ее на границе обедненного слоя х = 0 после скачка напряжения не может измениться мгновенно из-за конечной скорости носителей. Поэтому не может измениться мгно­венно и напряжение на самом переходе (см. рис. 3.26, в), и некоторое время (до момента t₁) оно остается прямым. Однако через дос­таточно большое время (условно ) распределение концент­рации дырок в базе установится и будет изображаться кривой 2 (рис. 3.27), соответствующей статическому обратному напряжению U_r2 (см. рис. 3.11). Распределения в промежуточные моменты времени заключены между кривыми 1 и 2.

Получается, что в интервале 0...t₁ на р-n-переходе действует прямое напряжение, однако через него протекает обратный ток I_{обр m} (см. рис. 3.26,6), определяемый из рис. 3.25 соотношением

При U_r2 >> U_np ток I_{обр m}» U_r2/R, т.е. определяется приложенным обратным напряжением и сопротивлением R в цепи. Ток I_{обр m} при малом сопротивлении R может быть очень большим. Значение R выбирается для ограничения тока I_{обр m}, но все равно ока­зывается на несколько порядков больше теплового тока I_о перехода, который устанавливается в конце переходного процесса (рис. 3.26,б).

Происхождение обратного тока при прямом напряжении на переходе объясняется тем, что после отключения напряжения U_r1 прекращается инжекция дырок в базу, т.е. исчезает причина, поддержи­вающая концентрацию избыточных дырок. Поэтому избыточные дырки (как неосновные носители) ускоряющим полем обедненного слоя начнут переноситься в р-область. Уход дырок приводит к изменению знака градиента dp_n/dx около границы перехода даже при небольшом уменьшении концентрации (кривые на рис. 3.27 при 0 < t < t₁) накопленных дырок. Знак dp_n/dx соответствует направлению обратного тока из n-области в р-область. Пока у границы обедненного слоя (х = 0) имеется достаточное число неосновных носителей, р-n-переход способен пропускать большой ток в обратном направлении. После того как концентрация на границе станет равной кон­центрации p_n0, при которой напряжение на переходе равно нулю, градиент и количество уходящих через обедненный слой дырок будет монотонно убывать. Обратный ток при этом стремится к значению теплового тока I_о, а скорость убывания тока определяется в основном временем жизни неосновных носителей (дырок в n-области).

Интервал 0...t₁ принято называть временем рассасывания неосновных носителей (точнее большей их части). Это рассасывание можно трактовать также как процесс разрядки диффузионной емкости. Когда напряжение на р-n-переходе при t = t₁ практически приближается к нулю, а затем становится обратным, диффузионной емкостью можно пренебречь (равна нулю). После момента t₁ происходит рассасывание остальной части неосновных носителей вследствие ухода и рекомбинации. Практически за момент окончания этой стадии переходных процессов берут момент (t₁ + t₂), когда значение обратного тока уменьшается до 0,1I_обр м, или до 0,1I_пр, или другого значения, близкого к I_о. Интервал t₂ принято называть временем восстановления обратного тока или обратного сопротивления (t_вoc = t₂). За это время обратное напряжение на переходе практичес­ки достигает значения напряжения генератора U_r2 (см. рис. 3.26,в). При этом происходит также расширение границ обедненного слоя, т.е. изменение (уменьшение) барьерной емкости. Установление обратного тока на второй стадии (t > t₁)можно смоделировать барьерной емкостью и трактовать как ее зарядку, приводящую к увеличению количества зарядов в обедненном слое.

Таким образом, для описания переходных процессов в р-n-переходе можно использовать нелинейную модель (см. рис. 3.23, д), содержащую диффузионную и барьерную емкости. Очевидно, что для уменьшения длительности переходных процессов необходимо снижать значения барьерной и диффузионной емкостей.

3.8.2. Переходные процессы при воздействии импульса прямого тока

Импульс тока с амплитудой I_пр (рис. 3.28,а) может быть получен с помощью генератора тока, в качестве которого можно использовать импульсный генератор напряжения с большим внутренним сопротивлением или сопротивлением, включенным последовательно с исследуемым р-n-переходом. Эти сопротивления должны быть много больше прямого сопротивления р-n-перехода.

До включения генератора тока ба­зовая область (n-область) находилась в состоянии равновесия (не было избыточных дырок). После включения генератора дырки будут переноситься током из р-области в n-область. Для получения установившегося распределения и необходимого количества дырок в n-области требуется определенное время. Установившееся распределение показано кривой 4 на рис. 3.29. Кривые 3, 2 и 1 соответствуют распределению в предыдущие моменты времени. Однако наклон всех кривых (градиент dp_n/dx) при х = 0 одинаков, так как он всегда должен обеспечивать один и тот же диффузионный ток I_пр ~ dp_n/dx. Так как после включения происходит рост кон­центрации дырок p_n на границе (х = 0) обедненного слоя и в самой базе, то одновременно происходит как плавный рост прямого напряжения на переходе, так и уменьшение объемного сопротивления базы R_б, на котором ток создает падение напряжения.

Поэтому следует рассматривать два случая. Если I_пр мал и паде­нием напряжения I_прR_б можно пренебречь, то изменение прямого напряжения р-n-перехода будет соответствовать рис. 3.28,б. При этом устанавливается напряжение U_p. После окончания импульса тока на р-n-переходе сохраняется прямое напряжение, пока избыточные носители базы (дырки) не рекомбинируют.

При больших токах I_пр необходимо учитывать падение напря­жения U_б = I_прR_б и его изменение, вызванное уменьшением R_б по мере накопления носителей в базе. Этому случаю соответствует рис. 3.28,в. Вначале наблюдается скачок напряжения U_б. Затем идет плавный рост напряжения (обычно быстрый) и далее начинается спад до установившегося значения U_пр. Спад связан с уменьшением R_б. После окончания импульса тока (I = 0) напряжение на диоде скачком уменьшается на I_прR_б, а затем убывает, как на рис. 3.28,б, пока не рекомбинируют все избыточные дырки в базе.

Длительность процесса установления прямого напряжения р-n-перехода характеризуется временем установления прямого напряжения или прямого сопротивления t_ycт. Это время отсчитывается от момента включения импульса тока до момента, при котором напряжение достигает значения 1,1U_пр.