В полулогарифмических координатах

 

Построение прямой ветви вольт-амперной характеристики р-п -переходав полулогарифмических координатах (рис. 2.17) может дать информацию относительно возможных механизмов протекания тока. Там, где вольт-амперная характеристика экспоненциальна, в данной системе координат получается прямолинейный отрезок. При напряжении на диоде равном нулю ток равен нулю. Следовательно, lg I ® –¥.

При малых напряжениях на диоде ток может определяться рекомбинацией в электронно-дырочном переходе. Тогда он зависит от напряжения как exp(qU /2 kT), что дает на графике отрезок прямой линии с угловым коэффициентом 1/2.

 

 

Рис. 2.17. Прямая ветвь вольт-амперной характеристики

р-п -перехода: 1 – участок малых токов; 2 – участок

с преобладанием рекомбинации в р - п -переходе; 3 – участок

с преобладанием процесса инжекции; 4 – участок, связанный

с модуляцией сопротивления базы при высоком уровне инжекции; 5 – участок, связанный с нарушением условий на границах р - п -перехода и на невыпрямляющем контакте

с базой

 

При бóльших напряжениях преобладает ток, связанный с инжекцией носителей заряда и зависящий от напряжения как exp(qU / kT), что дает на графике отрезок прямой линии с угловым коэффициентом 1.

При дальнейшем увеличении тока наряду с инжекцией носителей заряда начинает сказываться модуляция сопротивления базы, что опять дает зависимость exp(qU /2 kT) или на графике – отрезок прямой с угловым коэффициентом 1/2.

Наконец, при очень больших прямых токах вольт-амперная характеристика р-п -перехода становится неэкспоненциальной из-за нарушения условий на электронно-дырочном переходе и на невыпрямляющем контакте. Соответствующий отрезок на графике не будет прямой линией.

Надо учесть, что прямолинейные участки на этой кривой могут плавно переходить один в другой, так что определить их границы точно не представляется возможным. Иногда некоторые участки отсутствуют. Так, для некоторых кремниевых р-п -переходов участок, соответствующий рекомбинационному току, может сразу перейти в участок, соответствующий высокому уровню инжекции. Их границу обнаружить нельзя. Искажает также вид характеристик изменение времени жизни носителей, изменение температуры, наличие каналов поверхностной электропроводности и т.п.

 

2.2.10. Пробой р - п -перехода

 

При повышении обратного смещения, приложенного к переходу, можно обнаружить явление, при котором небольшое изменение напряжения приводит к резкому возрастанию тока. Если при этом величина тока не ограничена добавочным сопротивлением, то р - п -переход может быть нарушен. Это явление называется пробоем электронно-дырочного перехода. Резкое увеличение дифференциальной проводимости р - п -перехода при достижении обратным напряжением критического значения называется пробоем р - п -перехода. Различают три основных механизма пробоя:

1) лавинный, связанный с лавинным размножением носителей за счет ударной ионизации и за счет вырывания электронов из атомов сильным электрическим полем. Этот пробой характерен для р-п -переходов большой толщины, получающихся при сравнительно малой концентрации примесей в полупроводниках. Пробивное напряжение для лавинного пробоя составляет десятки или сотни вольт;

2)туннельный,обусловленный туннельным эффектом. Сущность последнего состоит в том, что при поле напряженностью более 10⁵ В/см, действующем в р-п -переходе малой толщины, некоторые электроны проникают через переход без изменения своей энергии. Тонкие переходы, в которых возможен туннельный эффект, получаются при высокой концентрации примесей. Напряжение, соответствующее туннельному пробою, обычно не превышает единиц вольт;

3) тепловой пробой возникает из-за нарушение устойчивости теплового режима р-п -перехода. Это означает, что количество теплоты, выделяющейся в переходе от нагрева его обратным током, превышает количество теплоты, отводимой от перехода. В результате температура перехода возрастает, сопротивление его уменьшается и ток увеличивается, что приводит к перегреву перехода и его тепловому разрушению.

Лавинный и туннельныйпробой - два вида электрического пробоя, которые нередко сопутствуют друг другу. Электрический пробой является обратимым, то есть при этом пробое в переходе не происходит необратимых изменений (разрушения структуры вещества). Поэтому работа р-п -перехода в режиме электрического пробоя допустима. Тепловой пробой необратим, так как он сопровождается разрушением структуры вещества в месте р-п -перехода.

Лавинный пробой электронно-дырочного перехода обусловлен эффектом лавинного размножения носителей заряда в электрическом поле обратно-смещенного перехода. Лавинное размножение носителей при обратном напряжении на р-п -перехода происходит в результате ударной ионизации атомов полупроводника. Носители заряда получают энергию от электрического поля и расходуют ее на генерацию новых пар и взаимодействие с решеткой. При лавинном размножении происходит увеличение токов электронов и дырок в М раз, где М – коэффициент размножения. Условие лавинного пробоя для большинства электронно-дырочных переходов записывается в виде

 

,                         (2.49)

 

где W_n и W_p – границы области объемного заряда;  – коэффициент ударной ионизации, показывающий, какое количество носителей заряда образовалось на единице пути в единицу времени.

Используя условия лавинного пробоя (2.49) и располагая зависимостью коэффициента ударной ионизации от поля , можно определить величину критического поля, при котором происходит пробой перехода, а затем и величину пробивного напряжения

 

;                      (2.50)

 

Максимальное значение напряженности электрического поля в запирающем слое резкого перехода связано с обратным напряжением соотношением

 

,              (2.51)

 

где  - приведенная концентрации примеси.

Можно принять, что лавинный пробой происходит, когда максимальная напряженность электрического поля достигает критического значения Е _кр. Из выражения (2.51) получаем

 

                               (2.52)

 

Напряжение, при котором происходит стремительное возрастание тока, называется напряжением лавинного пробоя U _проб.

Для резкого несимметричного р-п -перехода приведенная концентрация примеси в р-п -переходе равна концентрации примеси в базе. Следовательно, напряжение лавинного пробоя обратно пропорционально концентрации примеси в базе. Для увеличения напряжения пробоя уменьшают концентрацию легирующей примеси в базе р-п -перехода.

Выражение для определения напряжения пробоя резких несимметричных р-п -переходов имеет вид

 

,          (2.53)

 

где N – концентрация примеси в базе, см^-3;

D Е _g – ширина запрещенной зоны, эВ.

Для р-п -переходов с линейным распределением примеси

 

,       (2.54)

 

где а – градиент концентрация примеси в р-п -переходе, см^-4.

Вольт-амперные характеристики р-п -перехода на участке лавинного пробоя имеют следующий вид (рис. 2.18): для лавинного пробоя характерен рост обратного тока при практически неизменном напряжении. Напряжение лавинного пробоя с повышением температуры увеличивается (рис. 2.18). С ростом температуры увеличивается число столкновений носителей с атомами решетки, а средняя длина свободного пробега уменьшается. Носители набирают меньшую скорость, интенсивность ударной ионизации уменьшается, и ток умножения носителей заряда падает. Для приобретения энергии достаточной для ударной ионизации, носители должны перемещаться в более сильном электрическом поле, то есть для поддержания лавинного процесса необходимо увеличить напряженность электрического поля, а значит и приложенное напряжение.

 

 

Рис. 2.18. Вольт-амперная характеристика р-п -перехода

при лавинном пробое для разных температур

 

Лавинный пробой реального р- n- перехода имеет свою специфику, которая обусловлена искривлением фронта диффузии, возникающим при создании р-n -перехода. Центральная часть р-n -перехода, полученного методом локальной диффузии, (рис. 2.19) имеет плоскую геометрию (участок 1), боковые части – цилиндрическую (участок 2), а углы – сферическую (участок 3).

 

Рис. 2.19. Структура планарного р-n- перехода

 

Отклонение формы р-n -перехода от плоской части увеличивает напряженность электрического поля в нем при том же приложенном напряжении, что способствует снижению пробивного напряжения. Поэтому расчет напряжения пробоя проводят по формулам для р-n -перехода цилиндрической и сферической геометрии, считая, что коллекторный р-n -переход резкий:

 

U^* _проб. = U _{проб.пл.} {[(m + g₀+ 1 ) g ₀ ^m] ^{1 /( m+ 1 )} - g ₀ },  (2.55)

 

где U _{проб. пл.} - напряжение пробоя плоской части р-n -перехода определяемое по формуле (2.53);

m = 1 – для цилиндрического перехода, m = 2 – для сферического перехода;

g ₀ = r _j / x _{d макс}, где r _j – радиус кривизны р-n -перехода, примерно равный глубине залегания коллекторного перехода x _ко; х _{d макс} – ширина обедненного слоя при пробое.

Туннельный пробой, или зиннеровский эффект, основан на механизме туннельного прохождения тока через электронно-дырочный переход. Квантомеханическое рассмотрение явления туннелирования через треугольный потенциальный барьер высотой D Е_Т и толщиной W позволяет найти вероятность прохождения электронов и выражение для плотности туннельного тока:

 

.   (2.56)

 

Туннельный пробой происходит в очень тонких p-n -переходах, что возможно при очень высокой концентрации примесей (порядка 10¹⁹ см^-3), когда ширина перехода становится малой (порядка 0,01 – 0.02 мкм) и при небольших значениях обратного напряжения (несколько вольт), когда возникает большой градиент электрического поля. Высокое значение напряженности электрического поля, воздействуя на атомы кристаллической решетки, повышает энергию валентных электронов и приводит к их туннельному «просачиванию» сквозь «тонкий» энергетический барьер (рис. 2.20) из валентной зоны p -области в зону проводимости n -области. Причем «просачивание» происходит без изменения энергии носителей заряда.

         р п    р п             

                                           

     

        Е _F                      

               Е_с Е _F

   

                                                        Е_с

                           Е _v

                                                        Е _v

 

Рис. 2.20. Зонная диаграмма тонкого p-n -перехода:

а – отсутствие напряжения; б - при обратном напряжении

 

Для туннельного пробоя также характерен резкий рост обратного тока при практически неизменном обратном напряжении. Возрастание туннельного тока в области пробоя происходит при некоторой критической напряженности электрического поля. Максимальная напряженность поля определяется соотношением

 

.                          (2.57)

 

С учетом того, что толщина резкого р-п- перехода , и Е _max = E _кр напряжение туннельного пробоя

 

.           (2.58)

 

Следовательно, при туннельном пробое пробивное напряжение оказывается обратно пропорциональным концентрации примеси. Туннельный пробой может происходить только в р-п- переходах, изготовленных в полупроводниках с большой концентрацией примеси, так как для туннелирования необходимы малая толщина потенциального барьера и, следовательно, малая ширина перехода. При малой ширине перехода пробивные напряжения его оказываются также малыми. Поэтому контактной разностью потенциалов в выражении (2.58) пренебрегать не следует, так как она может быть сравнима с пробивным напряжением.

Величина напряжения пробоя зависит от температуры перехода (рис. 2.21), причем для туннельного механизма пробоя рост температуры уменьшает напряжение пробоя в отличие от лавинного. С повышением температуры у большинства полупроводников ширина запрещенной зоны уменьшается. Следовательно, при этом уменьшается и толщина потенциального барьера при той же напряженности электрического поля, что приводит к увеличению вероятности туннелирования носителей сквозь потенциальный барьер. Поэтому пробивное напряжение при туннельном пробое уменьшается с увеличением температуры.

 

Рис. 2.21. Вольт-амперная характеристика р-п -перехода

при туннельном пробое для разных температур

 

Тепловой пробой - это пробой, при котором увеличение тока происходит за счет разогрева перехода. Тепловой пробой имеет место в р-п -переходах с плохим теплоотводом, поскольку при этом в электронно-дырочном переходе выделяется больше тепла, чем отводится. Мощность рассеяния в переходе Р_рас = J _обр × U _обр, где J _обр и U _обр – соответственно обратный ток и напряжение. Отводимая от перехода мощность Р_отв = (Т_П – Т_К)/ R _Т, где Т_П – температура перехода; Т_К – температура корпуса; R _Т – тепловое сопротивление на участке р - п -переход – корпус. Условие теплового пробоя: . Приближенные формулы для расчета предельных режимов работы полупроводникового прибора:

;                    (2.59)

 

;                             (2.60)

 

Вольт-амперная характеристика р-п -перехода в области теплового пробоя имеет вид, приведенный на рис. 2.22.

 

 

Рис. 2.22. Вольт-амперная характеристика р-п -перехода

при тепловом пробое для разных температур

 

С ростом тока напряжение на р-п -переходе сначала возростает, а затем начинает уменьшаться. На кривой может быть два экстремума максимум и минимум. Между ними находится участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением, то есть с уменьшением напряжения ток увеличивается. Этот участок объясняется тем, что с увеличением выделяемой мощности увеличивается температура, а, следовательно, увеличивается ток и выделяемая мощность. С увеличением температуры напряжение пробоя уменьшается, так как увеличивается обратный ток насыщения.

Поверхностным пробоем р-п -перехода называют пробой перехода, который происходит в месте выхода перехода на поверхность кристалла и на пробивное напряжение которого оказывают влияния поверхностные состояния.

Если поверхностный заряд имеет знак, противоположный знаку основных носителей в базе, то на ее поверхности образуется обогащенный слой. Из-за возникновения обогащенного слоя толщина р-п -перехода у поверхности базы уменьшается. В связи с меньшей толщиной р-п -перехода у поверхности пробой его будет происходить именно там, а пробивное напряжение окажется тем меньше, чем больше сужение перехода у поверхности. По своей природе поверхностный пробой может быть лавинным, туннельным или тепловым.

 

Рис. 2.23. Искажение границ р-п -перехода под влиянием

поверхностного заряда

2.2.11. Емкость p- n- перехода

Любая система, в которой при изменении потенциала j меняется электрический заряд Q, обладает емкостью. Величина емкости С определяется соотношением .

Для p- n -перехода можно выделить два типа зарядов: заряд в области пространственного заряда ионизованных доноров и акцепторов Q _B и заряд инжектированных носителей в базу из эмиттера Q _p. При различных смещениях на p- n -переходе при расчете емкости будет доминировать тот или иной заряд. В связи с этим для емкости p- n -перехода выделяют барьерную емкость C _B и диффузионную емкость C _D.

Барьерная емкость C _B – это емкость p- n -перехода при обратном смещении V _G < 0, обусловленная изменением заряда ионизованных доноров в области пространственного заряда.

 

.                         (2.61)

 

Величина заряда ионизованных доноров и акцепторов Q _B на единицу площади для несимметричного p- n -перехода равна

 

   (2.62)

 

Дифференцируя выражение (2. 62), получаем

 

.          (2.63)

 

Из уравнения (2.63) следует, что барьерная емкость C _B представляет собой емкость плоского конденсатора, расстояние между обкладками которого равно ширине области пространственного заряда W. Поскольку ширина ОПЗ зависит от приложенного напряжения V _G, то и барьерная емкость также зависит от приложенного напряжения. Численные оценки величины барьерной емкости показывают, что ее значение составляет десятки или сотни пикофарад.

Барьерную емкость резкого p - n -перехода можно записать в виде

 

.                 (2.64)

 

В общем случае зависимость зарядной емкости от приложенного к p - n -переходу обратного напряжения выражается формулой

.                       (2.65)

 

где С ₀ – емкость p - n -перехода при U_обр = 0; g – коэффициент, зависящий от типа p - n -перехода (для резких p - n -переходов g = 1/2, а для плавных g = 1/3).

Зарядная емкость увеличивается с ростом N_А и N_Д, а также с уменьшением обратного напряжения.

Диффузионная емкость C _D – это емкость p‑ n -перехода при прямом смещении V _G > 0, обусловленная изменением заряда инжектированных носителей в базу из эмиттера Q _p.

 

,                             (2.66)

 

Заряд инжектированных носителей, например дырок в п -области, определяется как

 

. (2.67)

 

Тогда диффузионная емкость, обусловленная изменением общего заряда неравновесных дырок в п -области, определится по формуле

 

.         (2.68)

 

Аналогично диффузионная емкости, обусловленная инжекцией электронов в р -область,

 

.         (2.69)

 

Общая диффузионная емкость

 

. (2.70)

 

Полная емкость p - n -перехода определяется суммой зарядной и диффузионной емкостей:

 

.                           (2.71)

 

Зависимость емкости p - n -перехода от напряжения называется вольт-фарадной характеристикой (рис. 2.24). При отрицательных напряжениях и в окрестности нуля преобладает барьерная емкость, при больших положительных – диффузионная.

Зависимость барьерной емкости С _B от приложенного обратного напряжения V _G используется для приборной реализации. Полупроводниковый диод, реализующий эту зависимость, называется варикапом.

 

Рис. 2.24. Зависимость емкостей p - n -перехода от напряжения.

 

2.2.12. Переходные процессы в p - n -переходах

 

Переходные процессы в p - n -переходах 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 происходит относительно медленно. Поэтому накопление носителей в базе и их рассасывание могут влиять на свойства p - n -перехода в режиме переключения.

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

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

Переходные процессы при высоком уровне инжекции в режиме генератора напряжения. Рассмотрим процессы, происходящие в p - n -переходе при его включении в цепь с малым полным сопротивлением (в том числе и с малым сопротивлением источника питания) по сравнению с сопротивлением p - n -перехода.

При подаче на p - n -переход прямого напряжения ток через него устанавливается не сразу, так как с течением времени происходит накопление в базе инжектированных через p - n -переход неосновных носителей (дырок) и уменьшение в связи с этим сопротивления базы (рис. 2.25). Этот процесс модуляции сопротивления базы происходит не мгновенно, так как накопление дырок в базе связано с относительно медленным процессом диффузии их от p - n -перехода в глубь базы.

По мере накопления дырок и уменьшения сопротивления базы происходит перераспределение всего внешнего напряжения между сопротивлением базы и ОПЗ p - n -перехода; падение напряжения на базе уменьшается (рис. 2.25, б), а на ОПЗ увеличивается (рис. 2.25, в), вызывая увеличение уровня инжекции. При длительном прохождении прямого тока процесс инжекции дырок уравновешивается процессом их рекомбинации. Возникает некоторое установившееся состояние, характеризующееся таким распределением дырок в базе, при котором их концентрация превышает равновесную вблизи p - n -перехода и снижается, стремясь к равновесной, при удалении от него в глубь базы.

 

Рис. 2.25. Зависимость от времени напряжения

на p - n -переходе (а), напряжения на базе (б), напряжение на ОПЗ р-п -перехода (в) и тока через p - n -перехода (г) при работе на больших импульсах напряжения и тока в режиме

генератора напряжения

 

О значении тока через р-п -переход можно судить по градиенту концентрации дырок в базе около p - n -перехода. Градиент концентрации дырок около p - n -перехода возрастает с увеличением напряжения на p - n -переходе при постоянном напряжении и при уменьшении напряжения на базе. Следует отметить, что сопротивление базы уменьшается не только из-за увеличения концентрации неосновных носителей (дырок), но и из-за увеличения концентрации основных носителей (электронов). Концентрация электронов около p - n -перехода возрастает в соответствии с принципом электрической нейтральности, согласно которому в любой части базовой области сумма всех зарядов должна быть равна нулю. Очевидно, что число накопленных дырок в базе тем больше, чем больше ток через p - n -переход и чем больше время жизни дырок. Кроме того, число накопленных дырок зависит от геометрии базы.

При переключении p - n -перехода с прямого напряжения на обратное в начальный момент наблюдается большой обратный ток, ограниченный в основном последовательным сопротивлением базы. Источник питания вместе с сопротивлением базы в это время можно считать генератором тока для p - n -перехода.

После переключения p - n -перехода на обратное напряжение начинается процесс рассасывания неосновных носителей, накопленных в базе. Из-за ограничения обратного тока концентрация дырок в базе около p - n -перехода не может мгновенно уменьшиться до равновесного значения. Пока концентрация дырок в базе около p - n -перехода превышает равновесное значение, на ОПЗ p - n -перехода сохраняется прямое падение напряжения (рис. 2.25, в).

После уменьшения концентрации дырок в базе около p - n -перехода до нуля обратный ток начинает уменьшаться со временем, о чем свидетельствует уменьшение градиента концентрации дырок около p - n -перехода. С течением времени все накопленные в базе дырки уходят через p - n -переход или рекомбинируют в базе, в результате чего обратный ток уменьшается до стационарного значения тока насыщения (рис. 2.25, г). В это время заканчивается восстановление обратного сопротивления p - n -перехода.

Процесс рассасывания накопленных носителей происходит значительно медленнее процесса их накопления, поэтому именно процесс рассасывания и определяет частотные свойства большинства p - n -переходов.

Переходные процессы при высоком уровне инжекции в режиме генератора тока. Этот режим соответствует включению p - n -перехода в схему с большим сопротивлением, которое и определяет значение тока в цепи с p - n -переходом. Рассмотрим процессы, происходящие в p - n -переходе, при прохождении через него импульса прямого тока прямоугольной формы (рис. 2.26).

 

Рис. 2.26. Зависимость от времени тока на p - n -переходе(а), напряжения на базе (б), напряжения на ОПЗ перехода (в)и напряжения на p - n -переходе(г)при работе на больших импульсах тока в режиме генератора тока

В первый момент прохождения через p - n -переход импульса прямого тока на p - n -переходе падает относительно большое напряжение, которое в дальнейшем уменьшается из-за уменьшения сопротивления базовой области, связанного с накоплением неравновесных носителей в базе.

и

После окончания процесса накопления неосновных носителей в базе напряжения на ОПЗ, на базе и на p - n -переходе достигают установившихся значений. Распределение дырок в базе в это время также соответствует некоторому установившемуся состоянию.

В момент окончания импульса тока через p - n -переход, то есть в момент разрыва цепи исчезает падение напряжения на объемном сопротивлении базы диода (рис. 2.26, б). Концентрация дырок в базе около р-п- перехода мгновенно измениться не может. Поэтому напряжение на ОПЗ и соответственно на p - n -переходе после выключения тока уменьшается замедленно по мере рекомбинации неравновесных носителей в базе. Остаточное напряжение на p - n -переходе уменьшится до нуля после рекомбинации всех неравновесных носителей заряда в базовой области.

Переходные процессы при низком уровне инжекции в режиме генератора напряжения. При приложении к p - n -переходу малого прямого напряжения (рис. 2.27) эффект модуляции сопротивления базы из-за малого уровня инжекции пренебрежимо мал. Поэтому сопротивление диода в данном случае имеет емкостный характер. В первый момент напряжение на p - n -переходе близко к нулю, а ток через p - n -переход ограничен только сопротивлением базы (рис. 2.27, в). По мере заряда барьерной емкости напряжение на p - n -переходе и ток через p - n -переход стремятся к некоторым установившимся значениям, которые определяются активной составляющей сопротивления p - n -перехода. В момент переключения p - n -перехода напряжение на барьерной емкости не может измениться мгновенно, оно достигает установившегося значения через некоторое время. Ток через p - n -переход также зависит от времени, что характерно для емкостного сопротивления.

 

Рис. 2.27. Зависимость от времени напряжения

на p - n -переходе (а), напряжения на ОПЗ перехода (б) и тока через p - n -переход (в)при малых импульсах напряжения

в схеме с генератором напряжения, а также

эквивалентная схема диода для малых сигналов (г)

Переходные процессы при низком уровне инжекции в режиме генератора тока. Осциллограммы импульса прямого тока малой амплитуды и падения напряжения на p - n -переходе при питании от генератора тока представлены на рис. 2.28. В первый момент пропускания импульса тока через p - n -переход весь ток состоит из емкостной составляющей. Поэтому напряжение на p - n -переходе в первый момент определяется падением напряжения на сопротивлении базы. По мере заряда барьерной емкости увеличивается и напряжение на p - n -переходе. При выключении p - n -перехода на нем некоторое время сохраняется остаточное напряжение, уменьшающееся со временем. Остаточное напряжение в данном случае связано с тем, что барьерная емкость остается еще заряженной. По мере разряда этой емкости через активное сопротивление p - n -перехода уменьшается напряжение на емкости и остаточное напряжение на p - n -переходе.

 

Рис. 2.28. Зависимость тока через p - n -переход (а)

и напряжения на p - n -переходе (б)при работе на малых импульсах тока в схеме с генератором тока

 

2.2.13. Частотные свойства p - n -перехода

 

Наиболее часто диоды с р-п- переходом используют для выпрямления, детектирования, модуляции напряжения синусоидальной или почти синусоидальной формы.

Рассмотрим поведение р-п- перехода при воздействии на него синусоидального тока или напряжения различной частоты. Подадим на вход цепи, состоящей из последовательного соединения с р-п- переходом резистора R (рис. 2.29), напряжение Е (t) = U_тах sin w t, где U_тах - амплитуда напряжения; w = 2 p f - круговая частота; f =1/ T — циклическая частота; T — период колебаний; t - время. Переходные процессы в р⁺- п- переходе протекают в течение времени порядка времени жизни дырок t_р в п -базе. На низкой частоте, когда w t_р << 1 (или Т >> t_р), для каждого момента времени изменения синусоидального напряжения переходные процессы, связанные с рекомбинацией, успевают установиться. Такой режим называют квазистационарным. Форма тока через р-п -переход, как показано на рис. 2.30, а, оказывается несинусоидальной. Ток диода протекает практически только в первом полупериоде. Значение выпрямленного тока равно среднему значению тока за период Т и составляет I _вп.ср» U_max /(p R). На повышенной частоте, когда w t_р» 1 (или период Т» t_р), выпрямляющие свойства р-п- перехода ухудшаются. При таких частотах дырки, инжектированные в п -базу за положительный полупериод, не успевают полностью рекомбинировать в базе. Во время отрицательного полупериода часть накопленных в п -базе дырок рекомбинирует, а часть уходит в р +-область, создавая всплеск обратного тока (рис. 2.30, б), наибольшее мгновенное значение которого I _обр,и.

 

Рис. 2.29. Схема включения диода

 

а                                    б                             в

 

Рис. 2.30. Кривые тока через диод на низких (а), средних (б)

и высоких (в) частотах

Интервал времени между моментом Т/2 и моментом t₁ называется временем запаздывания обратного напряжения t _зп, так как в течение этого интервала полярность напряжения диода соответствует прямому направлению. Значение t _зп» 0,5 t_р. Далее обратный ток спадает, стремясь к своему стационарному значению. Условное окончание фазы спада устанавливают по заданному уровню обратного тока, например 0,25 I _обр,и. Время спада обратного тока t _сп = t₁ – t₂» (0,3 – 0,4) t_р. Время обратного восстановления t _вос = t₂ - Т/2 = t _зп + t _сп» 0,5 t_р.

На очень высоких частотах w t_р >> 1 заряд дырок, введенных в n -базу за положительный полупериод, полностью выводится во внешнюю цепь за отрицательный полупериод и диод теряет выпрямительные свойства (рис. 2.30, в).

Частотная характеристика выпрямленного тока имеет спадающий с ростом частоты вид, как показано на рис. 2.31. Частотная зависимость выпрямленного тока имеет спадающий с ростом частоты вид.

Перезаряд барьерной емкости, затягивающий в основном фазу спада тока диода, зависит от значения R, поэтому с увеличением R частотный диапазон выпрямленных токов сужается.

 

 

Рис. 2.31. Зависимость относительного значения

выпрямленного тока от частоты переменного напряжения

 

2.2.14. Эквивалентные схемы р-п- перехода

 

Для расчета электронных схем, содержащих диоды с р-п- переходом используют эквивалентные схемы замещения. Полное математическое описание физических процессов в р-п- переходе достаточно сложно, поэтому р-п- переход заменяют упрощенной моделью, описываемой системой уравнений, или некоторой эквивалентной схемой, содержащей сопротивления, емкости, индуктивности, источники тока или напряжения. К эквивалентным схемам применимы известные методы расчета электрических цепей.

Следует различать два вида эквивалентных схем: для малых (расчет режимов на высоких частотах) и для больших (импульсный режим) сигналов.

Эквивалентные схемы для малых сигналов используются когда переменная составляющая сигнала значительно меньше постоянных токов и напряжений, поэтому переход в первом приближении можно считат