ElectronicsBlog

Обучающие статьи по электронике

Динамические свойства диода

Всем доброго времени суток. В прошлой статье я начал рассказывать о полупроводниковых диодах. Были рассмотрена его вольт-амперная характеристика, дифференциальные параметры, зависимость его параметров от температуры. Данные параметры имеют статический характер и в основном применимы к постоянным токам и напряжениям или медленно изменяющимся. Достаточно много типов диодов применяются в высокочастотных цепях, где основную роль играют динамические параметры, которые мы рассмотрим в данной статье.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Накопление заряда в p-n-переходе

Выражение для тока, протекающего через диод и его вольт-амперная характеристика, описывает связь тока и напряжения диода только в статическом режиме. В данном режиме изменения напряжения и соответствующие ему изменения тока происходят с небольшой скоростью. Но при быстром изменении напряжения и тока, сопоставимых по длительности с временем накопления и рассасывания заряда в катоде диода и его p-n-переходе, то его параметры в статическом режиме теряют актуальность. В таком случае вступают в основной расчёт его динамические параметры. Рассмотрим, основы динамического режима в основе которого лежит накопление и рассасывание заряда.

При протекании тока через диод происходит инжекция дырок из анода в катод, при этом из внешней цепи поступает такое же количество электронов, что обеспечивает его электрическую нейтральность. Дырки и электроны, приходящие в катод под действием прямого тока, составляют накопленный заряд Qн диода.

Электрический заряд катода состоит из положительного заряда донорной примеси Qд и дырок Qp и отрицательного заряда электронов Qn. Так как катод должен быть электрически нейтрален то выполняется соотношение, то положительные и отрицательные заряды должны быть равны

Тогда при изменении тока, протекающего через диод, скорость изменения положительных и отрицательных зарядов должна быть одинакова

В тоже время изменение заряда электронов Qn зависит от протекающего тока через диод I  и рекомбинации носителей заряда, скорость которой пропорциональна заряду базы Qp, а также обратно пропорциональна времени жизни носителей заряда в катоде τp

Величина заряда доноров Qд зависит от толщины p-n-прехода, которая в свою очередь зависит от приложенного напряжения

где Cб = dQд/dU — барьерная ёмкость p-n-перехода.

Тогда выражение нейтральности катода будет иметь вид

Данное выражение называется уравнение заряда p-n-перехода и широко используется при анализе динамического режима диода. Таким образом, полупроводниковый диод обладает ёмкостными свойствами и способен накапливать и отдавать электрический заряд при уменьшении и увеличении напряжения, приложенного к диоду.

Ёмкости диода

Причем накопление заряда происходит в p-n-переходе и в катоде диода, поэтому ёмкость в диоде Сд состоит из барьерной Сб и диффузионной Сдф.

Барьерной ёмкостью Сб диода (ёмкостью перехода) называется отношение приращение заряда на переходе dQд к приращению вызвавшего его напряжения dU. Данный эффект вызван тем, что при изменении напряжения на переходе изменяется его толщина, а, следовательно, и величина заряда

где S – площадь поперечного сечения p-n-перехода,

ε0 – диэлектрическая проницаемость вакуума, ε0 = 8,86*10-12 Ф/м,

ε – относительная диэлектрическая проницаемость вещества полупроводника,

Nд – концентрация донорной примеси,

φК – контактная разница потенциалов,

U – напряжение приложенное к диоду.

Из данного выражения видно, что при прикладывании напряжения к диоду толщина его  p-n-перехода увеличивается, а значит ёмкость падает. При отсутствии напряжения барьерная ёмкость может достигать значения нескольких сотен пикофарад, а изменение напряжения может приводить к изменению ёмкости до десяти раз.

Диффузионная ёмкость С1дф обусловлена накоплением неравновесных зарядов в p- и n-областях диода и характеризуется изменением заряда в катоде при изменении напряжения на величину dU. Величина диффузионной ёмкости определяется по выражению

где I – прямой ток, протекающий через диод,

τp – время жизни неравновесных носителей заряд в катоде,

φT – температурный потенциал,

t1 – длительность импульса тока,

k – постоянная Больцмана, k = 1,37 * 10-23 Дж/℃;

e – заряд электрона, e = 1,6*10-19 Кл;

Т – абсолютная температура, К.

Диффузионная ёмкость отличается от обычного понимания емкости, как характеристики накопления равновесных зарядов. Она характеризует накопление неравновесных зарядов, то есть разноимённые заряды (дырки и электроны) в объёме катода, поэтому вследствие рекомбинации накопленных зарядов диффузионная ёмкость быстро уменьшается во времени. Время, за которое происходит рекомбинация заряда, а, следовательно, и спад ёмкости зависит от времени жизни неравновесных зарядов и толщины катода.

Выражение для диффузионной ёмкости можно упростить, когда длительность импульсов времени жизни неравновесных зарядов t1 << τp.

Диффузионная ёмкость имеет существенное влияние на параметры диода, в тоже время барьерная ёмкость оказывает влияние на параметры только в области обратных напряжений, когда Сдф = 0.

Схема замещения и модель диода

Моделью какой-либо сущности называется физический, символьный либо иной объект, который по рассматриваемым свойствам подобен рассматриваемому и поэтому способный заменить его в процессе исследования, оценки и проектирования.  Так выражение для тока, протекающего через диод является аналитической моделью, вольт-амперная характеристика – графической моделью диода.

Дли описания динамических свойств диода используется несколько моделей, к которым относится уравнение заряда, динамические вольт-амперные характеристики и схема замещения диода.

При анализе и расчётах электронных схем, в которых присутствуют полупроводниковые диоды, может быть использована модель диода, состоящая из простейших элементов, вольт-амперная характеристика, которых достаточно проста – сопротивления и конденсаторы. Данная модель и её принципиальная схема называется схемой замещения или эквивалентной схемой полупроводникового диода

Схема замещения диода
Схема замещения диода.

Схема замещения содержит следующие элементы: СД – емкость диода, равная сумме барьерной и диффузионных емкостей; RД – сопротивление p-n-перехода, определяемое из вольт-амперной характеристики диода: RД = U/I; Rк – распределённое сопротивление катода диода, его электродов и выводов. Кроме того, схему замещения могут дополнять межвыводной емкостью диода СВ, входной СВх и выходной СВых ёмкостями, а также индуктивностью выводов LВ.

Переходный процесс при открытии диода

Схема замещения позволяет, в частности, проанализировать работу диода в динамическом режиме. Данный режим характеризуется изменением амплитуды напряжения за короткие промежутки времени. В такие короткие интервалы изменения напряжения в диоде возникают переходные процессы, обусловленные накоплением и рассасыванием носителей заряда в катодной области. Переходные процессы позволяют проанализировать импульсные параметры диода, при этом удобно рассматривать отдельно процесс отпирания и запирания p-n-перехода.

Проанализируем переходный процесс при отпирании диода скачком тока. Скачок тока обеспечивает источник тока с внутренним сопротивлением R во много раз превышающим дифференциальное сопротивление диода. Тогда величина тока I от источника не будет зависеть от падения напряжения на диоде UД

В таком случае графики напряжения и тока при отпирании диода скачком тока будут иметь вид

графики напряжения и тока при отпирании диода
Схема включения источника тока при отпирании диода (слева) и графики напряжения и тока при отпирании диода.

Напряжение на диоде состоит из падения напряжения на объёмном сопротивлении катода Uко и на p-n-переходе Uп

где φT – температурный потенциал,

q0 – плотность заряда на границе перехода,

q – плотность зарядов при подаче напряжения от генератора тока.

При поступлении скачка тока падение напряжения Uко на катоде резко увеличивается и становится сравнимым с падением напряжения на переходе Uп и становится равным величине IRко, где Rко – объёмное сопротивление катода, при равной концентрации носителей заряда. А по мере насыщения носителями заряда катода, его сопротивление падает и достигает величины Rк. Величина напряжения на переходе возрастает экспоненциально по мере накопления неосновных носителей в катоде диода.

Таким образом, падение напряжения на диоде не возрастает мгновенно, а сначала возрастает (вследствие роста напряжения на переходе Uп), а затем начинает уменьшаться (из-за уменьшения объёмного сопротивления катода Rк). При этом график напряжения имеет чётко выраженный максимум UД мах.

График напряжения на диоде UД позволяет определить импульсные характеристики p-n-перехода:

— импульсное сопротивление перехода RД.ИМП, позволяющее характеризовать выброс прямого напряжения на диоде

величина данного сопротивления может в 1,5…3 раза превышать сопротивление диода в прямом направлении

— время установления прямого сопротивления перехода τуст, от момента поступления импульса до того момента, когда напряжение на диоде составит 1,2UД.уст, зависит от среднего времени пролёта носителей заряда или времени жизни.

Переходный процесс при запирании диода

Рассмотрим переходные процессы при запирании p-n-перехода. В начальном состоянии p-n-переход открыт приложенным к диоду напряжением ЕСМ и через него протекает прямой ток IД = Iпр.

Схема включения источника тока для запирания диода
Схема включения источника тока для запирания диода.

графики изменения напряжений и токов при запирании диода
Вольт-амперная характеристика (слева) и графики изменения напряжений и токов при запирании диода (справа).

В момент времени t0 на диод поступает отрицательный импульс напряжения с амплитудой UГ, превышающей напряжение смещения ЕСМ. Исходя из вольт-амперной характеристики диода, то ток в этот момент должен уменьшиться до величины Iобр, но на практике наблюдается совершенно иная картина. Ток протекающий через диод уменьшается до величины Iобр.имп (обратный импульсный ток), имеющий значение в десятки и сотни раз больше, чем обратный ток диода Iобр. В течении некоторого времени обратный ток, протекающий через диод начинает спадать до величины установившегося значения Iобр.

Данный эффект возникает из-за того, что в открытом состоянии в области катода накапливаются избыточные носители заряда. При поступлении запирающего импульса они начинают рассасываться, что приводит к падению напряжения на p-n-переходе. Но до тех пор, пока переход открыт, величина тока, протекающего через диод, фактически определяется только параметрами внешней цепи. Величину тока в этом случае можно определить, как

В момент времени t1 p-n-переход начинает смешаться в обратном направлении, вследствие снижения плотности неосновных носителей заряда и происходит уменьшение тока, протекающего через диод до величины Iобр.

Период времени от точки t0 до точки t1 называется временем рассасывания τрас, а период времени от точки t1 до уровня 1,1Iобр, называется длительностью среза τср. Период времени, характеризующий длительность переходного процесса при запирании p-n-перехода, называется временем восстановлением обратного тока τвосст.

Время рассасывания τрас определяется временем пролёта неосновных носителей заряда или временем жизни, а длительность среза зависит от величины зарядной ёмкости и временем пролёта носителей в инверсном направлении.

Теория это хорошо, но необходимо отрабатывать это всё практически ПОПРОБОВАТЬ МОЖНО ЗДЕСЬ