ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Учебник по математике
Контрольные
Карта сайта

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.

На главную страницу сайта