Архивы рубрики ‘Учеба’

Лабораторное задание

.

1. Получить осциллограммы переходных процессов в диоде при подаче импульса тока и переключении диода из открытого состояния в закрытое.

2. Определить зависимости сопротивления базы и времени жизни неосновных носителей заряда в базе от величины прямого тока.

3. Определить зависимость длительности фазы постоянного тока от соотношения между обратным и прямым током.

Измерение времени жизни неосновных носителей в базе

Исследование переходных процессов переключения диода позволяет измерить время жизни неосновных носителей в базе .

Измерения производятся путем задания через диод импульса прямого тока от генератора импульсов с высоким выходным сопротивлением. Схема измерений представлена на рис.7, а временные диаграммы переходных процессов — на рис.8. Амплитуда тока выбирается достаточно большой, так что диффузионная емкость диода значительно больше барьерной, и действие последней может не учитываться. При условиях (7) и (8) форма тока через диод соответствует форме э. д.с. генератора импульсов (рис.8,а):

.

После поступления импульса прямого тока в момент распределение неосновных носителей в базе изменяется так же, как на рис.5, и напряжение на Р - п-переходе увеличивается до стационарного значения (рис.8,б) в соответствии с повышением граничной концентрация дырок (рис.5). Напряжение на сопротивлении базы максимально в момент (, рис.8,в), а затем снижается до стационарного значения вследствие эффекта модуляции сопротивления базы (т. е. его снижения от равновесного значения при до модулированного значения при ).

После окончания импульса прямого тока в момент токи через диод и через Р — п-переход имеют нулевые значения:

. (17)

Напряжение (рис.8,в), а напряжение на Р - п-Переходе снижается до нуля в соответствии с граничной концентрацией дырок . Процесс иллюстрируется рис.9, показывающим эволюцию распределения концентрации неосновных носителей (дырок) в базе при ().

На этом этапе распределение концентрации дырок в базе определяется решением биполярного уравнения непрерывности (12) при граничных условиях

, (18а)

(18б)

И начальном условии, соответствующем стационарному распределению дырок в базе при . Для толстой базы

,

Где начальная граничная концентрация дырок удовлетворяет условию

.

С учетом граничного условия Шокли (14) найденное распределение дает временную зависимость напряжения на Р - п-переходе:

.

При (т. е. на большей части длительности переходного процесса) эта зависимость близка к линейной (рис.8,в):

. (19)

Соотношение (19) позволяет определить время жизни в базе по экспериментально измеренной скорости спада напряжения на линейном участке диаграммы (рис.8,г):

. (20)

Выключение диода

Процесс выключения диода также состоит из двух этапов: переход из открытого состояния в закрытое (, этап I) и установление на закрытом Р - П-переходе стационарного значения напряжения — (, этап II).

Этап I начинается в момент поступлении от генератора э. д.с. перепада напряжения отрицательной полярности () в момент на рис.3. Изменение распределения неосновных носителей в базе во времени для этого этапа показано на рис.6. К началу этапа диод открыт, и распределение неосновных носителей соответствует прямому току . После изменения э. д.с. генератора от значения до значения граничная концентрация дырок в базе не может измениться мгновенно, а снижается во времени непрерывным образом. В соответствии с граничным условием (13) также непрерывным образом уменьшается прямое напряжение на Р - П-переходе (рис.3,б). Таким образом, на Р - П-переходе в течение этапа I сохраняется положительное напряжение, которое согласно (8) много меньше э. д.с. . При этом через диод протекает значительный обратный ток

,

Величина которого не меняется во времени (характерная “полочка” обратного тока). На рис.6 постоянное значение тока соответствует постоянному угол наклона кривых f при , который определяется формулой

.

Этот ток сохраняется до момента времени на рис.3, когда граничная концентрация дырок снижается до 0. Согласно граничному условию (14) напряжение на Р - П-переходе в этот момент составляет .

Длительность “полочки” обратного тока (этапа I запирания диода) может быть определена путем решения биполярного уравнения непрерывности (12) в базе при граничных условиях

, (15а)

(15б)

И начальном условии, соответствующем стационарному распределению дырок в базе при . Решение этого уравнения при позволяет определить момент окончания этапа I из условия

.

Для диода с толстой базой () длительность “полочки” обратного тока определяется трансцендентным уравнением

. (16)

Начиная с момента Р - П-Переход может считаться закрытым (этап I выключения диода закончен). На этапе II градиент концентрации дырок при не может оставаться постоянным, и абсолютная величина тока инжекции дырок через Р - п-переход снижается до малого стационарного значения (практически до нуля) (рис.3,в). На этапе II диффузионная емкость закрытого диода равна нулю, и эквивалентная схема всей цепи соответствует рис.3,б. Барьерная емкость диода заряжается до напряжения током

С постоянной времени .

Включение диода

Процесс включения диода состоит из двух этапов: переход из закрытого состояния в нейтральное ( , этап I) и переход из нейтрального состояния в открытое (, этап II). Эквивалентные схемы рассматриваемой цепи для этапов I и II представлены на рис.4.

На этапе I P - N-переход закрыт, ток через диод , и согласно (5а) и (6а, б) диффузионная емкость диода . Эквивалентная схема диода представляет собой последовательное соединение барьерной емкости и сопротивления базы (рис.4,а). При поступлении от генератора э. д.с. перепада напряжения положительной полярности () в момент (рис.3,а) барьерная емкость заряжается током

,

И напряжение на барьерной емкости нарастает с постоянной времени

, (9)

Где — среднее значение барьерной емкости, стремясь к значению (рис.3,б). Этап I заканчивается в момент , когда Р - П-переход отпирается (). Таким образом, длительность этапа I (задержка включения диода) определяется барьерной емкостью.

На этапе II P - N-переход открыт, и напряжение на нем нарастает до установившегося значения В. Эквивалентная схема на рис.4,б показывает, что при условиях (8) и (7) токи и определяются внешней (по отношению к диоду) цепью:

(рис.3,в, г), а постоянная времени нарастания напряжения на P - N-переходе составляет

. (10)

При достаточно большом значении прямого тока основную роль играет диффузионная емкость, которая согласно (6а) пропорциональна току. Из (10) и (6б) следует, что при

(11)

Таким образом, в диодах с толстой базой прямое напряжение на P - n- переходе устанавливается примерно за время жизни неосновных носителей в базе, а в диодах с тонкой базой — за время пролета через базу.

Более точно длительность этого процесса определяется путем решения биполярного уравнения непрерывности в базе, которое для базы П-типа имеет вид

, (12)

При граничных условиях

, (13а)

(13б)

И начальном условии . Решение этого уравнения при позволяет определить зависимость из граничного условия Шокли

. (14)

Наглядное представление о процессе установления напряжения на P - N- переходе дает рис.5, иллюстрирующий изменение распределения неосновных носителей в базе (для базы П-типа — дырок) во времени для этапа II. Для всех кривых в соответствии с граничным условием (13а) угол наклона y при один и тот же, а значение граничной концентрации дырок согласно (14) определяет напряжение на переходе. Как видно из рисунка, в течение переходного процесса форма кривой распределения неосновных носителей в базе существенно отличается от стационарной (кривая 4). Это означает, что накопление неосновных носителей в базе адекватно моделируется введением в эквивалентную схему диода диффузионной емкости только в том случае, когда длительность фронта управляющего сигнала много больше минимального из значений и .

Рис.5 показывает, что по мере установления стационарного напряжения на P - N-переходе, т. е. по мере повышения граничной концентрации дырок общее количество дырок в базе увеличивается. Ввиду электронейтральности базы на столько же увеличивается концентрация электронов:

.

Если уровень инжекции в базе не является низким (не выполнено условие ), то удельная электропроводность базы

Повышается, что ведет к снижению сопротивления базы (эффект модуляции сопротивления базы). Этот эффект проявляется в снижении напряжений и на этапе II (рис.3,д, е).