Архивы рубрики ‘Учеба’

Барьерная и диффузионная емкости. Эквивалентная схема диода

.

Инерционность полупроводникового диода обусловлена двумя факторами: 1) при изменении напряжения на P - N-Переходе изменяется его ширина и, следовательно, заряды ионов примеси в области объемного заряда (ОПЗ) перехода; 2) стационарное распределение неосновных носителей в базе и эмиттере не может установиться мгновенно при изменениях тока или напряжения. На Эквивалентной схеме диода (рис.1) изменение зарядов ионов в ОПЗ P - N-Перехода моделируется Барьерной емкостью , а изменение зарядов неосновных носителей в базе и эммитере — Диффузионной емкостью .

На рис.1 ток соответствует току носителей заряда, инжектируемых через ОПЗ. ВАХ идеального диода имеет вид

, (1)

Где — напряжение на P — n-Переходе, — тепловой ток, — температурный потенциал. Напряжение на диоде складывается из напряжений на P — n-переходе и на сопротивлении базы :

. (2)

Барьерная емкость P - N-Перехода определяется его шириной , зависящей от напряжения на переходе :

, (3)

Где и — диэлектрическая проницаемость полупроводника и вакуума, — площадь P — n-Перехода. Ширина перехода Определяется соотношением

,

Где — равновесная ширина перехода (при ), — контактная разность потенциалов. Показатель степени корня зависит от распределения примеси в ОПЗ. Для ступенчатого перехода , для линейного .

Таким образом, зависимость барьерной емкости от напряжения на P - N-Переходе определяется соотношением

, (4)

Где — равновесное значение емкости (при ).

Диффузионная емкость диода складывается из диффузионных емкостей базы и эмиттера:

, (5)

Где

, ,

и — абсолютные значения зарядов избыточных носителей (электронов и дырок), накопленных в базе и эмиттере. Заряды и пропорциональны неравновесным концентрациям неосновных носителей в базе и эмиттере соответственно. Обычно эмиттер диода легируется значительно сильнее, чем база. При этом , и

. (5а)

При низком уровне инжекции диффузионная емкость базы определяется соотношениями

(6а)

Или

, (6б)

Где — время жизни неосновных носителей заряда в базе, — среднее время пролета неосновных носителей через базу, — коэффициент диффузии неосновных носителей в базе, — диффузионная длина неосновных носителей в базе,

-

Дифференциальное сопротивление P - N-перехода. Из (1) следует, что

.

Отметим, что . Поэтому неравенства и в соотношениях (6а, б) эквивалентны неравенствам и соответственно.

Процесcы накопления и рассасывания избыточных носителей заряда в базе моделируются диффузионной емкостью лишь при достаточно малой скорости изменения их заряда, когда распределение избыточных носителей в базе близко к стационарному. Поэтому эквивалентная схема диода на рис.1 является приближенной. Более точное описание процессов переключения диода требует решения нестационарного уравнения непрерывности с использованием соответствующих граничных и начальных условий.

Пусть диод переключается ступенчатым перепадом напряжения, поступающим от генератора э. д.с. с выходным сопротивлением (рис.2). Для простоты положим, что выходное сопротивление генератора много больше сопротивления базы диода

, (7)

А э. д.с. и значительно превышают напряжение на открытом Р - П-переходе:

при . (8)

Общая картина переходных процессов при переключении диода показана на рис.3. Процессы включения (перехода из закрытого в открытое состояние) диода и процесс его выключения (перехода из закрытого в открытое состояние) сопровождаются различными физическими эффектами.