Исследование режима включения p-n–перехода

Переходные процессы в p-n–переходе

Цель работы:изучить работу p-n–перехода при воздействии на него импульсных электрических сигналов.

       Переходные процессы в p-n–переходе связаны в основном с двумя явлениями, происходящими при быстром изменении напряжения на p-n–переходе или тока через p-n–переход.

       Первое из них – это накопление неосновных носителей заряда в базе p-n–перехода при его прямом включении и их рассасывание при уменьшении напряжения. Так как электрическое поле в базе p-n–перехода обычно невелико, то движение неосновных носителей в базе определяется законами диффузии и происходят относительно медленно. Поэтому накопление носителей в базе и их рассасывание будут влиять на свойства полупроводниковых приборов, принцип действия которых основан на свойствах p-n–переходов (диоды, транзисторы), работающих в режиме переключения.

Второе явление, происходящее в p-n–переходах при их переключении, – это перезарядка барьерной емкости, что также происходит не мгновенно и поэтому может влиять на свойства p-n–переходов.

При сравнительно больших плотностях прямого тока через p-n–переход существенно накопление неосновных носителей в базе, а перезарядка барьерной емкости p-n–перехода является второстепенным процессом. При малых плотностях тока переходные процессы в p-n–переходе определяются перезарядкой барьерной емкости, накопление же неосновных носителей в базе практически не сказывается.

Временные зависимости напряжения и тока, характеризующие переходные процессы в p-n–переходе, зависят также от сопротивления внешней цепи, в которую включен p-n–переход.

( Поэтому рассмотрим четыре предельных случая переходных процессов в несимметричном p⁺ -n–переходе.)

Отпирание p-n–перехода

При отпирании p-n–перехода происходит переходной процесс, который проявляется в увеличении прямого сопротивления p-n–перехода. Процесс отпирания можно изучить по схеме, показанной на рис.1.

Рис.1. Схема включения p-n–перехода для изучения процесса отпирания

       Такая схема включения обеспечивает токовый режим работы при условии, что сопротивление R на порядок превышает дифференциальное сопротивление p-n–перехода. Тогда источник импульсного напряжения U_Г с сопротивлением R будет работать в режиме генератора тока, поскольку величина тока I , отбираемого от источника U_Г, практически не зависит от падения напряжения на p-n–переходе U_Д

 .             (1)

       Эпюры напряжения и тока показаны на рис.2.

       Напряжение на p-n–переходе U_Д  складывается из напряжения на объемном сопротивлении базы U_Б   и на переходном слое U_C :

 .                                                     (2)

       При подаче ступени тока напряжение U_Б скачком увеличивается и достигает величины

                                                           (3)

Напряжение же на переходном слое U_C возрастает по мере накопления неосновных носителей в базе (заряд емкости перехода).

       Это имеет место для токов малой амплитуды, когда не сказывается влияние эффекта модуляции объемного сопротивления базы (изменение проводимости области базы за счет инжекции неосновных носителей). При малых токах падение напряжения на r_б, изменение этого напряжения из-за модуляции этого сопротивления оказывается значительно меньше напряжения на переходном слое U_C. Суммарное напряжение U_Д после скачка величиной U_Б возрастает монотонно (рис.2, а).

       При работе с токами большой амплитуды (рис.2, б) падение напряжения на объемном сопротивлении базы U_Б становится сравнимым с напряжением на переходном слое, причем напряжение U_Б  сначала скачком возрастает до величины Ir_б0 , где r_б0 – значение объемного сопротивления базы, соответствующее равновесной концентрации носителей заряда. По мере накопления инжектированных носителей в базе ее проводимость возрастает, сопротивление r_б  уменьшается. Суммарное напряжение U_Д сначала возрастает (из-за увеличения падения напряжения на переходном слое U_C, а затем спадает (из-за уменьшения падения напряжения на сопротивлении r_б). При этом эпюра суммарного падения напряжения имеет форму кривой с ярко выраженным максимумом.

Рис.2. Эпюры напряжения и тока при отпирании p-n–перехода: а – для импульса тока малой амплитуды; б – для импульса тока большой амплитуды

       Эпюра напряжения на диоде U_Д позволяет определить основные импульсные параметры p-n– перехода при прямом включении:

· R_имп – импульсное сопротивление p-n–перехода

  ,                                                  (4)

· t_уст – время установления прямого сопротивления p-n–перехода, которое определяется продолжительностью всплеска импульса напряжения U_Д ;

· R_пр – прямое сопротивление p-n– перехода

.                                                             (5)

Импульсное сопротивление R_Димп обычно в несколько раз больше прямого сопротивления R_пр. Время установления t_уст определяется средним временем пролета носителей через область базы.

Запирание p-n – перехода

Рассмотрим переходные процессы, которые возникают при запирании p-n – перехода.

В исходном состоянии p-n–переход открыт приложенным к нему напряжением смещения Е (рис.3) и через него протекает прямой ток I_Д = I_пр .В момент времени t₀ подается перепад напряжения U_Г (рис.4, а). Амплитуда этого напряжения выбрана так, чтобы полностью запереть p-n–переход, переведя его в режим, определяющий координатами рабочей точки U_Д = Е – U_Г, I_Д = I_TS (рис.4, а).

Если исходить из вольтамперной характеристики p-n–перехода, то надо было ожидать следующее: в момент времени t₀ с появлением запирающего перепада напряжения U_Г ток p-n–перехода должен был скачком уменьшится до величины обратного тока насыщения I_TS и далее оставаться постоянным. На рис.4 эта эпюра показана штриховыми линиями. Наблюдаемое на практике изменение тока через p-n–переход имеет совершенно другую форму: в момент времени t₀ ток скачком уменьшается до величины I_{обр.имп}, значительно превышающую величину тока I_TS и равную

.                                                (7)

       В течение некоторого времени t_рас этот обратный ток практически не изменяется (ри.5, б). Затем начинается спад обратного тока до своего установившегося значения I_TS . Эта стадия спада обратного тока длиться в течение времени t_ср. Эту картину можно наблюдать экспериментально при помощи осциллографа, включив последовательно с p-n–переходом малое измерительное сопротивление R_изм (рис.3), падение напряжения на котором U_изм = I_ДR_изм будет пропорционально току, протекающему через p-n–переход.

Рис.3. Схема включения источника импульсного напряжения U_Г при запирании p-n–перехода

Рис. 4. Вольтамперная характеристика (а) и временная диаграмма тока (б), протекающего через p-n–переход при его запирании.

       Экспериментальные результаты объясняются рассасыванием избыточных носителей заряда, накопленных в базе. При включении обратного напряжения происходит уменьшение заряда неосновных носителей в базе. Но в течение времени t_рас переход остается все еще в открытом состоянии и ток, протекающий через него, практически определяется параметрами внешней цепи (формула (7)).

       В момент t₁ переход смещается в обратном направлении, так как плотность заряда неосновных носителей в базе на границе переходного слоя становится меньше своей равновесной величины. Начинается спад тока, протекающего через переход.

       По мере рассасывания носителей, оставшихся в базе после смещения перехода в обратном направлении, ток, уменьшаясь, стремится к своему установившемуся значению I_TS, определяемому обратным током насыщения.

       Время, в течение которого происходит рассасывание избыточных носителей, пока переход включен в прямом направлении, называется временем рассасывания t_рас.

       Время, в течение которого ток p-n–перехода спадает со значения I_{обр.имп} до уровня 1.1I_TS  , называется длительностью среза t_ср.

Сумма времени рассасывания и длительности среза, характеризующая продолжительность переходного процесса при запирании p-n–перехода, называется временем восстановления обратного тока или обратного сопротивления t_вос.

Время рассасывания определяется средним временем пролета неосновных носителей через область базы. Длительность среза зависит от величины зарядной (барьерной) емкости, рассасывания остатка неосновных носителей из базы, продолжительность которого в свою очередь характеризуется дисперсией времени пролета носителей в инверсном направлении.

Экспериментальная часть

Исследование режима включения p-n–перехода

       Схема исследования работы p-n–перехода в режиме включения приведена на рис.5. На испытуемый p-n– переход (полупроводниковый диод) от генератора прямоугольных импульсов (ГПИ) подается импульс напряжения известной величины. Величина импульса тока, отпирающего p-n–переход определяется по амплитуде импульса напряжения в соответствии с формулой

.                                                 (8)

       С помощью осциллографа измеряются:

• максимальное напряжение на p-n–переходе U_Дmax, по которому вычисляется импульсное сопротивление p-n– перехода R_Димп = U_Дmax/ I_пр;
• время установления прямого сопротивление t_уст, которое определяется продолжительностью всплеска напряжения на p-n–переходе (рис.5)

Рис.5. Принципиальная схема исследования отпирания p-n– перехода

Рис.6. Эпюры импульсов напряжения генератора и на открытом p-n–переходе

       Период следования импульсов T выбирается T > 2t_и , а длительность импульсов t_и > 3t_уст.