ВУЗ: Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники
Категория: Учебное пособие
Дисциплина: Электроника
Добавлен: 23.10.2018
Просмотров: 8863
Скачиваний: 20
96
при достаточно большом токе всегда превалирует напряжение
Б
U и экспоненциальная характеристика диода вырождается.
Следует указать, что дифференциальное и статическое со-
противления диодов могут существенно отличаться от аналогич-
ных сопротивлений, вычисленных для перехода, из-за влияния
сопротивления базы.
2.6
Переходные
характеристики
плоскостного
диода
Наличие реактивных компонентов (паразитные емкости
и индуктивности) приводит к появлению переходных процессов
в устройствах, что ограничивает их быстродействие и уменьшает
полосу пропускания.
Полупроводниковый диод также является инерционным
элементом по отношению к быстрым изменениям тока или
напряжения, поскольку новое распределение носителей устанав-
ливается не сразу. Индуктивностями выводов пренебрегаем. Как
известно, внешнее напряжение приводит к изменению ширины
перехода, а значит, и величины пространственных зарядов в пе-
реходе. Кроме того, при инжекции (или экстракции) меняются
заряды в области базы. Следовательно, наряду с проводимостью,
которая в первом приближении характеризуется выражением
(2.23), диод обладает емкостью, которую можно считать подклю-
ченной параллельно
-
p n
переходу. Эту емкость принято разде-
лять на две составляющие: барьерную емкость, отражающую пе-
рераспределение зарядов в переходе, и диффузионную емкость,
отражающую перераспределение зарядов в базе. Понятие диффу-
зионная емкость является вообще-то условным, т. к. физически
этой емкости нет. Введение понятия «диффузионная емкость»
позволяет проводить аналитические расчеты, не прибегая к рас-
чету распределения носителей в базе. Такое разделение, в общем,
весьма условно, но удобно на практике, тем более что соотноше-
ние обеих емкостей различно при разных полярностях смещения.
При прямом смещении главную роль играют заряды в базе
и соответственно диффузионная емкость. При обратном смеще-
нии (режим экстракции) заряды в базе меняются мало, и главную
роль играет барьерная емкость. Характеристика инерционных
97
свойств диода с помощью емкостей особенно удобна в случае
малых переменных сигналов, действующих на фоне больших по-
стоянных смещений. При этом емкости оказываются почти ли-
нейными и весьма наглядно дополняют эквивалентную схему ди-
ода. В случае больших сигналов использование емкостей, осо-
бенно диффузионной, становится нецелесообразным, так как их
нелинейность проявляется в такой мере, что эквивалентная схема
теряет свою наглядность, а анализ делается отнюдь не более про-
стым, чем при использовании уравнений непрерывности. После
этих предварительных замечаний мы рассмотрим сначала свой-
ства барьерной и диффузионной емкостей, а затем исследуем пе-
реходный процесс при большом сигнале.
Барьерная емкость (емкость перехода). Определим вели-
чину барьерной емкости, считая, что переход несимметричен
и сосредоточен в базе типа. Заряды на пластинах воображаемого
конденсатора — перехода — одинаковы
(
)
p
n
Q
Q
−
=
. Найдем
один из них, например
n
Q , для случая ступенчатого перехода
где S — площадь перехода;
l
— ширина перехода. Подставляя
сюда выражение (2.12) и дифференцируя (
n
Q )по
U
, получаем
дифференциальную барьерную емкость ступенчатого перехода
при обратном смещении
0
0
0
0
0,5
.
Д
П
S
qN
S
C
l
U
U
ξξ
ξξ
Δϕ
=
=
(2.43а)
Вторая форма выражения удобна тем, что ее первый множи-
тель является емкостью обычного плоского конденсатора с рассто-
янием между пластинами, равным
0
l — равновесной ширине пе-
рехода, определяемой по формуле (2.9б). Как видим, емкость пере-
хода зависит от приложенного напряжения. Величина барьерной
емкости современных диодов лежит в пределах
(
)
2—200
пф.
В общем случае, используя (2.11), для барьерной емкости будем
иметь:
0
0
0
0
.
П
S
C
l
U
ξξ
Δϕ
=
Δϕ −
(2.436)
98
Эта формула может давать большую погрешность при пря-
мых напряжениях (более 0,1—0,2) В, так как в исходных выра-
жениях (2.9) не учтен заряд подвижных носителей в переходе,
существенный при прямых смещениях. Необходимо заметить,
что изменение ширины перехода (т. е. перезаряд емкости)
требует притока или отвода основных (для каждого слоя) но-
сителей, а на высоких частотах не только должен уменьшать-
ся коэффициент инжекции неосновных носителей, но и ста-
новится комплексным.
Для случая плавного перехода, смещенного в обратном
направлении
0
0
3
0
.
П
S
C
l
U
ξξ
Δϕ
=
(2.43в)
Зависимость барьерных емкостей от обратного напряжения
показана на рис. 2.20. Емкость перехода при прочих равных
условиях зависит от концентрации примесей, или от удельного
сопротивления материала. Чем больше удельное сопротивление,
тем меньше емкость
С, пф
U, В
10
20
30
40
0
-5
-20 -15 -10
б
а
Рис 2.20 — Зависимость емкости ступенчатого (а)
и плавного (б) переходов от обратного напряжения
Диффузионная емкость. При прямом смещении диода пе-
реход, как известно, сужается и соответственно растет барьерная
емкость. Однако эта емкость оказывается менее существенной,
чем емкость, обусловленная возрастающим зарядом носителей
в базовом слое, которую называют диффузионной, так как этот
заряд лежит в основе диффузии носителей в базе. Диффузионная
99
емкость С
Д
«заряжается» как инжектированными дырками, так
и электронами, компенсирующими заряд инжектированных ды-
рок, поскольку избыточные заряды электронов и дырок одинако-
вы. Найдем один из них, а именно заряд дырок, исходя из рас-
пределения (2.20):
( )
( )
(
)
0
0
1 sec
.
w
qSL p
w
Q
qS
p x dx
L
w
th
L
Δ
Δ =
Δ
=
−
⎛ ⎞
⎜ ⎟
⎝ ⎠
∫
Подставляя сюда
( )
0
p
Δ
из (2.20), ток
0
I из (2.26а), получаем:
(
)
1 sec
.
w
Q
I
L
Δ = τ −
(2.44)
Если поделить этот заряд на напряжение
U
, то интегральная
диффузионная емкость запишется в следующем виде:
(
)
1 sec
,
Д
Д
Q
w
С
h
L
U
R
Δ
τ
=
=
−
где
Д
U
R
I
=
— сопротивление диода постоянному току Диффе-
ренциальная диффузионная емкость будет иметь аналогичную
форму:
( )
(
) (
)
1 sec
1 sec
,
Д
Д
T
d
Q
I
w
w
C
h
h
L
L
dU
r
Δ
τ
τ
=
=
−
=
−
ϕ
(2.45)
где
Д
U
r
I
∂
=
∂
— сопротивление диода переменному току. Как
видим, диффузионная емкость (2.45) является функцией прямого
тока, подобно тому, как барьерная емкость (2.43а) является
функцией обратного напряжения. Кроме того, диффузионная ем-
кость находится в прямой зависимости от толщины базы, умень-
шаясь с уменьшением отношения
w
L
. В случае толстой базы по-
лучаем:
;
Q
I
Δ ≈ τ
(2.46а)
.
Д
Д
T
I
C
r
τ
τ
≈
=
ϕ
(2.46б)
Например, если
τ
= 5 мксек,
10 мА
I
=
, то С
Д
=2 мкФ. Такие
значения на несколько порядков превосходят величину барьер-
ной емкости.
100
В случае тонкой базы С
Д
приводятся к виду:
;
D
Q
It
Δ ≈
(2.47а)
,
D
Д
Д
t
C
r
≈
(2.47б)
где
2
2
D
w
t
D
=
(2.48)
есть среднее время диффузии или среднее время пролета носите-
лей через тонкую базу при чисто диффузионном механизме дви-
жения.
При воздействии импульсных сигналов протекают переход-
ные процессы, которые возникают из-за действия зарядной ёмко-
сти перехода и процессов накопления или рассасывания носите-
лей заряда в базовой области.
Удобно рассматривать переходные процессы в диоде в от-
дельности при отпирании и запирании перехода.
Отпирание
-
p n
перехода. Импульсное сопротивление.
Время установления прямого сопротивления
Рассмотрим переходный процесс в
-
p n
переходе при его
отпирании скачком тока. Такой режим можно обеспечить, выбрав
сопротивление
R
в схеме (рис. 2.21) на порядок и более превы-
шающим дифференциальное сопротивление перехода, т. е. обес-
печить режим генератора тока.
Г
Д
Г
U
U
U
I
R
R
−
=
≈
.
R
U
Г
VD
I
U
Д
Рис. 2.21 — Схема включения источника импульсного
напряжения
Г
U
при отпирании
-
p n
перехода