ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Учебник по математике
Контрольные
Карта сайта

ДИФФУЗИОННАЯ ЕМКОСТЬ p–n - ПЕРЕХОДА

Диффузионная емкость проявляется при прямом включении p–n-перехода и большом уровне инжекции носителей заряда. Зонная диа

грамма прямосмещенного p–n-перехода приведена на рис.4. На рисунке изображен несимметричный p–n-переход с эмиттером электронов.

Напряжение U внешнего источника питания уменьшает величину электрического поля в p–n-переходе E=Eк-Eвн (Eк - контактное, Eвн − поле внешнего источника питания) и повышает энергию электронов в эмиттере n+-типа. При этом уровень Ферми WF (жирный пунктир на рис.4) поднимается, потенциальный барьер уменьшается до величины q(j0-U), толщина p–n-перехода уменьшается до величины , где e − относительная диэлектрическая проницаемость кристалла полупроводника, e0 = 8.86·10−12 Ф/м − диэлектрическая постоянная, Na и Nd – концентрации акцепторных и донорных примесей соответственно в эмиттере и базе. Из эмиттера в базу течет диффузионный ток электронов. Концентрация электронов в базе на границе p–n-перехода np(0) = npexpU/jт выше равновесной концентрации электронов в глубине базы np. За счет разности концентраций np(0)−np = np(expU/jт−1) начинается диффузия электронов в глубину базы. Происходит их частичная рекомбинация с основными носителями заряда в базе (дырками). По мере продвижения электронов в глубину базы их избыточная концентрация убывает с увеличением х по закону np(х)−np = [np(0)–np]exp(–x/Ln), здесь Ln – средняя длина диффузии электронов, на которой концентрация электронов уменьшается в е ≈2.7 раз.

Следует отметить, что в соответствии с принципом электрической нейтральности из глубины базы дрейфуют дырки и вблизи p–n-перехода возникает избыточный заряд дырок, уравновешивающий избыточный заряд электронов. Эти два заряда, возникшие в базе вблизи границы p–n-перехода, и образуют заряд диффузионной емкости прямосмещенного p–n-перехода. Заряд диффузионной емкости не может накопиться или рассосаться мгновенно. Поэтому при изменении напряжения источника питания U возникает переходный процесс, который длится конечное время. Время переходного процесса определяется многими факторами: концентрацией неосновных носителей, коэффициентом диффузии D [1/см2·c], временем жизни неосновных носителей в базе τn и наличием встроенного в базу дополнительного электрического поля.

Величину поверхностной плотности заряда диффузионной емкости можно оценить, если заменить экспоненциальное распределение концентрации электронов в базе линейным, спадающим с np(0) до np на средней длине диффузии Ln. Тогда поверхностная плотность заряда рассчитывается как площадь под треугольником Qдиф = qnp(expUпер/jт−1)·Ln/2. Если пренебречь падением напряжения на низкоомной области эмиттера, омических контактах и выводах диода, то напряжение на p–n-переходе Uпер = U−Uб, где Uб – падение напряжения на высокоомной области базы. Величина диффузионной емкости С = SQдиф/Uпер = Sqnp(expU/jт−1)Ln/(2Uпер) нелинейно зависит от напряжения питания U, здесь S – площадь p–n-перехода.

ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ БОЛЬШОМ ИМПУЛЬСЕ НАПРЯЖЕНИЯ

Рассмотрим переходные процессы, происходящие в полупроводниковом диоде при подаче большого импульса напряжения Uпр ≥ j0, │Uобр│ > j0 (рис.5,а). Полагаем, что внутреннее сопротивление генератора напряжения много меньше сопротивления базы диода.



         В интервале времени от t0 до t1 напряжение на диоде U = 0, ток I = 0, p–n-переход находится в состоянии термодинамического равновесия и концентрация электронов в базе составляет np0.

В момент времени t1 напряжение на диоде U скачком изменяется от нуля до Uпр. Если не учитывать падение напряжения на эмиттере, контактах и выводах диода, то оно распределится между базой Uб и p–n-переходом Uпер. Для того чтобы понять, как распределится напряжение, необходимо учесть наличие барьерной емкости p–n-перехода. Распределение концентрации носителей заряда в диоде мгновенно измениться не может, поэтому Uпер = 0.


В следующие моменты времени t2 и t3 происходит установление равновесия: напряжение Uпер возрастает, стремясь к φ0, напряжение Uб падает, стремясь к U−φ0, концентрация электронов в базе на границе p–n-перехода увеличивается и начинается диффузия электронов в глубину базы (рис.6,а, кривые 2 и 3). По мере накопления в базе инжектированных электронов и уравновешивающих их заряд дырок сопротивление базы уменьшается, а ток через диод I возрастает (рис.5,г).

При длительном прохождении прямого тока процесс инжекции электронов уравновешивается процессом их рекомбинации. Устанавливается состояние, при котором концентрация электронов и дырок превышает равновесную вблизи p–n-перехода и снижается, стремясь к равновесной np0 при удалении от него в глубь базы (кривая 4 на рис.6,а). Ток через диод достигнет своего стационарного значения Iпр.

При изменении полярности импульса напряжения с Uпр на Uобр (время t5) напряжение на базе изменяется скачком: Uб = Uобр−φ0. Начинается дрейф накопленных в базе неосновных носителей (электронов) обратно в эмиттер. Наблюдается большой обратный ток через диод, ограниченный в основном сопротивлением базы диода Iобр = Uб/rб (рис.5,г). Пока концентрация электронов в базе около p–n-перехода превышает равновесное значение, на p–n-переходе сохраняется прямое падение напряжения (рис.5,в).

С течением времени все накопленные в базе электроны уходят через p–n-переход или рекомбинируют в базе с дырками (кривые 6,7,8 на рис.6.б).

Затем начинается фаза восстановления высокого обратного сопротивления диода. В моменты времени t8, t9 и t10 распределение концентрации электронов в базе стремится к равновесному (кривая 10 на рис.6,б), а ток I экспонециально уменьшается, стремясь к величине тока обратносмещенного диода Iобр.

Процесс рассасывания накопленных неосновных носителей происходит значительно медленнее их накопления, поэтому именно его время и определяет частотные свойства большинства диодов.

Для ускорения процесса рассасывания электронов из базы можно уменьшить время жизни неосновных носителей, легировав базу атомами меди или золота, энергетические уровни которых располагаются в глубине запрещенной зоны полупроводника. При этом электроны захватываются на ловушках, а затем с уровня ловушек переходят на уровень верха валентной зоны и рекомбинируют с дырками. При таком двухступенчатом процессе время жизни электронов уменьшается.

Если неравномерно легировать базу и создать “встроенное” электрическое поле, то электроны за счет двух механизмов диффузии и электрического дрейфа быстрее достигнут границы p–n-перехода и уйдут в эмиттер. Подробно о создании “встроенного” в базу электрического поля см. в работе [9, параграф 3.4.].

Если использовать оба приема, то время рассасывания заряда диффузионной емкости может сократиться в четыре - пять раз.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Цель работы: Снятие осциллограмм и определение характерных времен переходных провесов.

Приборы и принадлежности: генератор импульсов SFG-2110, осциллограф GDS-2102 (или аналогичные), исследуемые полупроводниковые диоды (выпрямительные и импульсные).

Задание

1. Собрать схему установки для снятия осциллограмм переходных процессов диодов согласно рис.7.


2. Установить исследуемый диод в разъем макета лабораторной работы.

3. Установить режим работы генератора SFG-2110 согласно руководству по использованию (прилож.1).

4. Установить режим работы цифрового осциллографа GDS-2102 согласно руководству по использованию (прилож.2).

На экране осциллографа будет наблюдаться осциллограмма переходного процесса (рис.8).

Величины прямого Iпр и обратного Iоб токов определяют из осциллограммы по падению напряжения на сопротивлении R=50 Ом, включенном последовательно с диодом VD.

Времена высокой обратной проводимости t1 и время восстановления tвос определить, как показано на рис.8.

5. При постоянном Iпр = U+/R = 1.0 В/ 50 Ом = 20 мА изменить величину Iобр, изменяя напряжение U– = 8÷2 В с шагом ΔU– =1 В. При этом Iобр= (U–)/R. Измерить величины t1 и tвос при всех Iобр.

6. Поддерживая Iобр = 20 мА постоянным за счет постоянной разности U–−U+ =1.0 В, изменять величину Iпр, изменяя напряжение базового смещения U+=0.4÷2.0 В с шагом ΔU+=0.4 В. Измерить величины t1 и tвос при всех Iпр.

Обработка результатов измерений

1. Зарисовать осциллограммы переходных процессов диодов.

2. Построить графики зависимостей tвос = f(Iпр/Iобр) при Iпр = const.

3. Построить графики зависимостей tвос = f(Iпр/Iобр) при Iобр = const.


4. Рассчитать величину заряда, накопленного в базе диода , где τ= –(tвос–t1)/ln0.1 =

= (tвос–t1)/2.3.

5. Оценить величину диффузионной емкости Cдиф ≈ Q/φ0; для германия, кремния и арсенид галлия принять φ0 = 0.3; 0.6 и 1.0 В соответственно. Построить график Сдиф = f(Iпр).

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Как возникает барьерная емкость p–n-перехода?

2. Как возникает диффузионная емкость p–n-перехода?

3. Какие емкости диодов необходимо учитывать при переходном процессе?

4. В какой области диода в эмиттере или базе происходит накопление заряда и почему?

5. Как происходит накопление и рассасывание заряда при переходном процессе?

6. Каковы механизмы рассасывания заряда в базе при переключении диода с прямого включения на обратное?

7. Нарисовать осциллограмму переходного процесса и объяснить, как определяются времена высокой обратной проводимости и восстановления обратного сопротивления.

8. Каким образом можно уменьшить время переходного процесса?

9. Сравнить время переходного процесса в выпрямительных и импульсных диодах.

10. Объяснить полученные графики.

На главную страницу сайта