Робота напівпровідникового діода в режимі перемикання

2. Робота напівпровідникового діода в режимі перемикання

2.1 Фізичний механізм перемикання

Під впливом позитивної вхідної напруги через діод протікає прямий струм, величина якого визначається амплітудою імпульсу, опором навантаження і прямою провідністю діода (рис. 2.1). У момент, коли вхідна напруга змінює свою полярність, можна було б очікувати, що струм через діод також миттєво змінить свій напрямок, а по величині буде дорівнювати статичному зворотному струмові діода iзв. Однак практично, у перший момент спостерігається різке збільшення зворотного струму через діод i1 , і лише поступово з плином часом він зменшується до значення, рівного iзв.

Рисунок 2.1- Схема перемикання й осцилограми вхідної напруги і струму через діод

Наслідком перехідного процесу, що спостерігається, є ефект нагромадження і розсмоктування нерівноважних носіїв заряду в базі діода. Тривалість етапу розсмоктування прямо пропорційна часу життя дірок у базі і залежить від співвідношення прямого iпр і зворотного iзв струмів, що проходять через діод. З ростом iпр заряд, накопичений у базі дірок, зростає, що при незмінному струмі iзв приводить до збільшення tроз. При незмінному струмі iпр час розсмоктування тим менше, чим більше зворотний струм iзв. Тривалість tроз можна визначити з наступного трансцендентного рівняння:

 , (2.1)

де

 - функція помилок (error function).(2.2)

Рисунок 2.2-Схема діода та вид розподілу рівноважних концентрацій носіїв заряду в p- та n- областях (а); розподіл дірок у різні моменти після перемикання (б)

Відомо, що при подачі на діод рис. 2.2, а прямого зсуву p-n перехід інжектує в область бази дірки, що під дією дифузії переміщаються в напрямку базового омічного контакту. У процесі дифузії частина інжектованих дірок рекомбінує з електронами бази, тому концентрація надлишкових дірок зменшується в міру віддалення від р-n переходу. При тривалому протіканні прямого струму процес рекомбінації дірок у базі врівноважується їхньою інжекцією р-n переходом. Виникає деякий сталий стан, що характеризується таким розподілом дірок, , який на рис. 2.2, б зображений кривою при t = 0. Повна кількість дірок у базі діода при протіканні прямого струму значно більше, ніж у випадку, коли струм через діод не протікає. Відбувається накопичення дірок або, оскільки дірки можна вважати зарядженими частками, накопичення заряду. При зсуві р-n переходу в зворотному напрямку дірки з базової області безперешкодно переходять у р - область. Величина виникаючого унаслідок цього зворотного струму залежить від концентрації дірок біля р-n переходу з боку бази. Чим більше ця концентрація, тим більше і зворотний струм, при цьому байдуже, що з'явилося причиною зростання числа вільних дірок - вплив світла, підвищення температури або ефект накопичення заряду.

Концентрація накопичених дірок поблизу р-n переходу звичайно досить велика, і велика також швидкість їхнього переміщення в р-область, тому при різкому перемиканні прикладеної до діода напруги через нього міг би протікати значний (теоретично нескінченний) зворотний струм. Іншими словами, відразу після перемикання р-n перехід має нульовий опір.

Завдяки наявності обмежуючого опору Rн зворотній струм через діод відразу після перемикання не може бути нескінченно великим, а дорівнює

, (2.3)

де Uімп - амплітуда імпульсу зворотної напруги на вході схеми рис.2.2, а.

В міру протікання зворотного струму кількість надлишкових дірок у базі зменшується як за рахунок їхнього витягування в р-область, так і внаслідок процесу, що неприпиняється - рекомбінації з електронами.

Розподіл концентрації дірок у різні моменти часу після перемикання показано на рис. 2.2, б. Доти, поки концентрація дірок в точці з координатою x = 0 не знизиться до нуля, через р-n перехід протікає великий зворотний струм, який обмежується лише опором навантаження. Надалі зворотний струм зменшується, досягаючи з часом значення, рівного iзв.

Таким чином, перехідна характеристика діода при перемиканні його з прямого напрямку на зворотний містить в собі дві фази: фазу постійного зворотного струму (або фазу високої зворотної провідності) і фазу спаду (або відновлення) зворотного струму.

2.2 Заряд перемикання

Заряд перемикання - повна величина заряду, що переноситься перехідним зворотнім струмом після перемикання діода з певного прямого струму на імпульсну зворотну напругу.

Вимірювання заряду перемикання виконується за допомогою схеми, яка зображена на рис 2.3

Рисунок 2.3 – Спрощена схема установки для вимірювання заряду перемикання

Коли імпульс від генератора імпульсів зворотної напруги (ГІЗН) не надходить, тоді через діод проходить постійний прямий струм від джерела постійної напруги . При проходженні прямого струму у діоді відбувається накопичення заряду.

Генератор ГІЗН виробляє імпульси напруги, які подаються на діод у зворотному напрямі. Амплітуда імпульсів та їх тривалість підібрані таким чином, щоб за час імпульсу зворотній струм діода міг повністю скомпенсувати накопичений в діоді заряд. Частота проходження імпульсів обирається настільки низкою, щоб за час між імпульсами в діоді встиг накопичитися заряд.

За час проходження в дослідженому діоді (ДД) прямого струму до роз’єднувального діода () напруга прикладена у прямому напрямі, тоді  пройде і через . В той самий час роз’єднувальний діод зачинений, тому що до нього напруга прикладена у зворотному напрямі. Напрям прямого струму вказаний стрілкою. Під час дії імпульсу зворотної напруги відчиняється  і зачиняється . У цьому випадку  проходить через . Щоб накопичення заряду в  і  не заважало роботі пристрою, використовують спеціальні імпульсні діоди , в яких накопичений заряд дуже малий.

Зворотній струм проходить через конденсатор та заряджає його. Заряд, отриманий конденсатором за час імпульсу, дорівнює заряду, який до початку зворотного імпульсу мав ДД. Опір мікроамперметра не викривляє процес передачі заряду від діода до конденсатора, так як він великий. Коли імпульс зворотної напруги закінчиться, то напруга на  знов стає зворотною та коло, яке складалось з конденсатора та мікроамперметра , як би відключається від іншого кола. У конденсатора залишається лише один шлях для розряду – через мікроамперметр.

В якості мікроамперметра використовують прилад постійного струму магнітоелектричної системи. Такі прилади показують середнє значення струму, який змінюється в часі. Заряд перемикання дорівнює середньому значенню струму розряду , який проходить через мікроамперметр, поділеному на частоту проходження імпульсів .

Наведена на рис.2.3 схема зручна для пояснення принципу вимірювання заряду перемикання, але є спрощеною. Реальна схема, яку зображено на рис.2.4, дещо відрізняється .

Рисунок 2.4 - Схема установки для вимірювання заряду перемикання

По-перше, наявністю опору  і ємністю  в колі зворотної напруги. Опір  призначений для забезпечення вихідного опору джерела зворотної напруги в межах, визначених стандартом [5] . Ємність  не дозволяє постійному струму від джерела постійної напруги Е проникнути в генератор імпульсів зворотної напруги, тобто розділяє кола постійного та імпульсного струмів. Опір  визначає величину прямого струму , при якому проводиться вимір заряду перемикання . Ємність  - це паразитна ємність монтажу в точці А. Ємність  тотожня ємності С в схемі рис 2.3.