Переходные процессы в р-n-переходе при выключении диода

Выключение диода может быть достигнуто либо уменьшением входного напряжения до нуля, либо подачей входного напряжения обратной полярности. Рассмотрим вначале переходные процессы, возникающие в р-n-переходе при снятии скачком входного напряжения. Временные диаграммы этих процессов также представлены на рис.2.3.

В момент t_u (рис.2.3,а), когда входное напряжение Е скачком уменьшается до нуля, также скачком уменьшаются до нуля ток диода I (рис.2.3,б) и падение напряжения U_б на сопротивлении базы (рис.2.3,г). В то же время напряжение U на р-n-переходе скачком измениться не может, так как не могут измениться скачком концентрации неосновных носителей заряда в р- и n-областях. Накопленные вблизи границ р-n-перехода избыточные неосновные носители заряда постепенно рассасываются путём диффузии вглубь базы и рекомбинации там с основными носителями. Ёмкость р-n перехода постепенно разряжается и напряжение на переходе падает (рис.2.3,в). Полное падение напряжения на диоде (рис.2.3,д) при этом равняется падению напряжения на р-n-переходе.

Анализ показывает, что описанный выше процесс снижения напряжения на p-n-переходе подчиняется приближённому закону

(2.4)

где U₃ – напряжение на р-n переходе в момент снятия внешнего напряжения (рис.2.3,в); τ_р – время жизни неосновных носителей заряда в полупроводнике.

Из уравнения (2.4) следует, что напряжение на р-n переходе уменьшается практически линейно. Это обстоятельство используют для экспериментального определения времени жизни неосновных носителей заряда в базе диода. Величина t_р определяется по наклону линейного участка U(t) по формуле:

(2.5)

где Dt и DU показаны на рис.2.3,д.

Следует отметить, что время жизни неосновных носителей заряда зависит от уровня инжекции, которая определяется величиной напряжения Е, приложенного к р-n-переходу. При низком уровне инжекции время жизни практически постоянно, а при высоком уровне инжекции оно изменяется.

Измерение напряжения U₃ на р-n-переходе, которое часто называют послеинжекционным, в зависимости от величины прямого тока через диод позволяет найти контактную разность потенциалов на р-n-переходе. С увеличением амплитуды импульсов прямого тока величина U₃ стремится к постоянному значению, приближающемуся к контактной разности потенциалов U_k.

Рассмотрим теперь переходные процессы, возникающие в р-n-переходе при подаче скачком напряжения обратной полярности. Временные диаграммы, иллюстрирующие рассматриваемый случай, представлены на рис.2.4.

В момент t₀ входное напряжение скачком изменяется от положительного значения Е₊ до отрицательного значения Е_- (рис.2.4,а). Поскольку концентрация неосновных носителей в р- и n- областях диода не может измениться мгновенно, то с момента переключения накопленные неосновные носители начинают диффундировать через р-n-переход в обратном направлении. При этом через диод протекает обратный ток, который может быть довольно значительным. Величина обратного тока I_- ограничивается в основном только сопротивлением внешней цепи R (рис.2.2).

Протекание обратного тока сопровождается уменьшением избыточных концентраций неосновных носителей в р- и n-областях, но до тех пор, пока эти концентрации на границах р-n-перехода выше равновесных, обратный ток постоянен (ступенька на рис.2.4,б). Длительность t_ст этой ступеньки может быть найдена по формуле

, (2.6)

где функция, стоящая в левой части, называется интегралом вероятности. Ее график приведен на рис.2.5. Аналитически ее можно аппроксимировать функцией

, где . (2.7)

Уравнение (2.6) используется для экспериментального определения времени жизни τ_Р неосновных носителей заряда в базе. Для этого по диаграмме тока диода (рис.2.4,б) измеряются t_ст и отношение I_- / I₊ , подстановка которых в формулу (2.6) позволяет найти τ_Р.

На рис.2.4,в приведена диаграмма напряжения на р-n-переходе, из которой видно. что в интервале времени от t₀ до t₁ напряжение на р-n-переходе U остаётся положительным, несмотря на то, что внешнее напряжение Е отрицательно. Это объясняется тем, что ёмкость р-n-перехода до момента t­₀ была заряжена положительно, и после смены знака внешнего напряжения требуется время для ее перезарядки.

В момент t₁ (рис.2.4,в) концентрация неосновных носителей заряда на границах р-n-перехода достигает равновесного значения, вследствие чего напряжение на переходе обращается в нуль. С этого момента на р-n-переходе появляется обратное смещение, растущее с течением времени и достигающее в конце концов значения приложенного внешнего напряжения. Кроме того, с момента t₁ концентрация неосновных носителей на границах р-n-перехода становится ниже равновесной, зона перехода обедняется носителями, что приводит к снижению обратного тока, который в конце концов достигает величины обратного тока насыщения (рис.2.4,б).

Характер напряжения на сопротивлении базы (рис.2.4,г) определяется характером тока через диод. Полное падение напряжения на диоде (рис.2.4,д) представляет собой сумму напряжений на р-n-переходе и на сопротивлении базы.

Переходные процессы, происходящие при переключении напряжения на р-n-переходе, определяют его быстродействие – основной параметр полупроводниковых приборов, используемых в схемах импульсной и вычислительной техники. Для увеличения быстродействия р-n-перехода необходимо уменьшать его ёмкость и время жизни неосновных носителей заряда. Первое достигается изготовлением р-n-переходов с как можно меньшей площадью, второе – использованием материалов с высокой скоростью рекомбинации.