ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Электроника
ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
Генератор сигналов специальной формы
Изучение статических характеристик
полевых транзисторов
Основные параметры полевого транзистора
Изучение оптоэлектронных приборов
оптопара (оптрон)
Вольтамперная характеристика
Классификация изделий микроэлектроники.
Эпитаксия
Нанесение тонких пленок.
Полевой транзистор с изолированным затвором
ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
Фоторезисторы

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕХФАЗНЫХ ЦЕПЕЙ
Переходные процессы в линейных цепях первого порядка
Переходные процессы в RLC цепях.
Спектральное представление периодических процессов
Исследование характеристик линейных четырехполюсников
Аппаратно-программный комплекс PClab – 2000
Методика выполнения лабораторного практикума
в лаборатории электротехники
Исследование неразветвленной и разветвленной
электрических цепей постоянного тока
Исследование нелинейных цепей постоянного тока
Переходные процессы в электрических цепях

Изучение переходных процессов в полупроводниковых диодах

Настоящее издание продолжает серию описаний лабораторных работ по курсу “Твердотельная электроника”. Для успешного выполнения лабораторной работы “Переходные процессы” необходим базовый уровень знаний по теории p–n-перехода. Поэтому перед выполнением лабораторной работы нужно самостоятельно изучить этот вопрос с использованием конспекта лекций и рекомендованных учебников по курсу “Твердотельная электроника”, а также методических указаний: “Изучение статических характеристик полупроводниковых приборов” и “Изучение барьерной емкости p–n-перехода”. Вопрос о создании в базе диода встроенного электрического поля подробно описан в методическом указании “Изучение статических характеристик биполярных транзисторов”.

ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ПОЛУПРОВОДНИКОВОМ ДИОДЕ С p–n-ПЕРЕХОДОМ

Переходные процессы в полупроводниковых диодах связаны в основном с двумя явлениями, происходящими при быстром изменении напряжения на диоде или тока, протекающего через диод:

1) При малых прямых напряжениях (Uпр < φ0) и соответственно малых плотностях тока переходные процессы определяются перезарядкой барьерной емкости. От длительности переходного процесса зависит максимальная рабочая частота цифровых и импульсных устройств, детекторов высокочастотных колебаний в радиоприемных и других устройствах.

2) При сравнительно больших плотностях прямого тока (при Uпр ~ φ0) происходит накопление неосновных носителей заряда в базе диода и их рассасывание при уменьшении напряжения. Эти процессы ограничивают быстродействие мощных выпрямителей и ключевых схем.

БАРЬЕРНАЯ ЕМКОСТЬ p–n-ПЕРЕХОДА

Для изготовления полупроводниковых диодов, как правило, используют несимметричные p–n-переходы. В них имеется низкоомная область эмиттера с большой концентрацией атомов примеси Nэ = 1017÷1019 см–3 и высокоомная область базы с меньшей концентрацией примеси Nб = 1014÷1015 см–3.

По обе стороны металлургической границы образуются слои полупроводника, обедненные основными носителями заряда (рис.1). Электрическое поле объемного заряда ионизированных примесей Ек создает потенциальный барьер для основных носителей заряда ψ0 = qφ0, где q =1.6·10–19 Кл – элементарный заряд. Контактная разность потенциалов φ0 определяется отношением концентраций основных носителей заряда (электронов) в области эмиттера nn и неосновных носителей заряда (электронов) в базе np:

nn/np = exp(φ0/φт),

где φт = kT/q – термический потенциал, k = 1.38·10–23 Дж/К – постоянная Больцмана, Т – температура в градусах Кельвина. Концентрация nn и np в диапазоне рабочих температур диода зависит от ширины запрещенной зоны ΔW и концентрации акцепторных Na и донорных Nd примесей [1-4, 7].

Приложение к p–n-переходу небольшого прямого ΔU << φ0 (или обратного) напряжения приводит к появлению дополнительного поля Евн, что вызывает изменение толщины обедненной области Δdp+Δdn и объемного заряда ионизированных примесей ΔQ = |ΔQб| = |ΔQэ|. Отношение Сбар = |ΔQ/ΔU| определяет величину барьерной емкости перехода.

 

 

 

 

 

ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ МАЛЫХ НАПРЯЖЕНИЯХ

Эквивалентная схема диода приведена на рис.2. В момент включения импульса Uпр << φ0, поэтому напряжение на p–n-переходе близко к нулю, а ток через диод Iпр max = Uпр/rб ограничен только сопротивлением базы диода rб (рис.3).

По мере заряда барьерной емкости напряжение на p–n-переходе и ток через диод стремятся к установившимся значениям Uпр, Iпр, которые определяются дифференциальным сопротивлением p–n-перехода rдиф и сопротивлением rб.

В момент переключения напряжения на диоде с прямого на обратное напряжение на барьерной емкости не может измениться мгно
венно, оно достигает установившегося значения Uобр через некоторое время, как показано на рис.3,б. Ток через диод меняет свое направление и спадает экспоненциально от Iобр max до тока обратносмещенного диода Iнас. Временная зависимость силы тока, протекающего через диод (рис.3,в), качественно совпадает с изменением силы тока, протекающего через конденсатор. Однако следует отметить, что барьерная емкость является нелинейной.