Импульсный режим работы полупроводниковых диодов

Во многих радиоэлектронных устройствах полупроводниковые диоды работают в импульсном режиме при длительности импульсов, измеряемой долями микро­секунды. В этом режиме диод должен очень быстро переключаться из закрытого состояния в открытое состояние и наоборот. Однако этому препятствуют инер­ционные процессы накопления и рассасывания заряда в базе. Рассмотрим эти процессы, представив диод в виде эквивалентной схемы (рис. 3.12, а). В этой схе­ме р-п-переход заменен диодом, содержащим диффузионную емкость, учитыва­ющую накопление заряда в базе, и барьерной емкостью, учитывающей накопле­ние заряда в р-n-переходе. Через диод протекает конвекционный ток i_KOHB, а через барьерную емкость — емкостный ток i_EMK. В схеме учтено наличие сопротивления базы r'₆, из-за которого напряжение на переходе u_п отличается от напряжения на диоде u_Д. На рис. 3.12, б представлены графики изменения напряжений генерато­ра u_Г на диоде и_Д и на переходе и_П, а на рис. 3.12, в — графики изменения токов генератора i_Г, емкостного i_EMK и конвекционного i_KOHB.

Процесс включения

В момент времени t₀ напряжение генератора скачком устанавливается равным U_Г.ПР. Барьерная емкость в этот момент не заряжена, поэтому в цепи устанавливается ток

На диоде устанавливается напряжение

В интервале времени t₀...t₁ происходит заряд барьерной емкости и заполнение базы дырками (рис. 3.13, а). По мере заряда барьерной емкости возрастает напряже­ние на переходе и_П и уменьшается емкостный ток i_EMK, а по мере заполнения базы дырками возрастает конвекционный ток i_KOHB, определяемый градиентом концент­рации дырок в сечении х_n и уменьшается сопротивление базы r'₆, в результате чего уменьшается напряжение на диоде .

В момент времени t₁, напряжение и_Д становится равным и_Д = 1,1*U_д.уст, где U_д.уст — установившееся напряжение на диоде, определяемое по вольт-амперной харак­теристике диода и зависящее от тока I_ПР. Интервал времени от момента подачи импульса прямого тока до момента, когда напряжение на диоде установится рав­ным 1,1*U_д.уст, называют временем установления прямого напряжения и обознача­ют τ_уст. После установления прямого напряжения наступает стационарный режим, в котором напряжение и ток не изменяются.

Процесс выключения

В момент времени t₂ напряжение генератора скачком устанавливается равным U_Г.ОБР. напряжение на переходе и_П, скачком измениться не может, поэтому сохраня­ется равным U_П.ПР.

В цепи устанавливается ток

Поскольку заряд в базе и, соответственно, градиент концентрации в сечении х_п мгновенно измениться не могут, то конвекционный ток i_KOHB сохраняется равным I_ПР, а емкостный ток скачком возрастает до значения . Напряже­ние на диоде, равное , скачком уменьшается, так как изменилось направление тока.

В интервале времени t₂...t₃ происходит перезаряд барьерной емкости С_б, поэтому напряжение на переходе и_П и емкостный ток i_EMK уменьшаются. Одновременно с этим рассасывается накопленный в базе заряд (рис. 3.13, б) и уменьшается гради­ент концентрации дырок в сечении х_n, что обусловливает уменьшение конвекци­онного тока i_KOHB. Изменения токов i_KOHB и i_EMK происходят с одинаковой скоростью, поэтому обратный ток сохраняется постоянным и равным I_обр.max. В момент време­ни t₃ градиент концентрации дырок в сечении х_П становится равным нулю, поэто­му в этот момент конвекционный ток равен нулю.

В интервал времени t₃...t₄ продолжается перезаряд барьерной емкости и уменьше­ние тока i_EMK и напряжения на переходе и_П. Конвекционный ток в этом интервале, изменив направление, увеличивается; он создается дырками, которые возвраща­ются из базы в эмиттер. Обратный ток при этом не изменяется. В момент време­ни t₄ напряжение на переходе становится равным нулю, а градиент концентрации дырок в сечении х_n и, следовательно, конвекционный ток, достигают максималь­ных значений. В дальнейшем, в интервале t₄...t₅ конвекционный и емкостный токи убывают, что обусловливает уменьшение обратного тока. Интервал времени от момента прохождения тока через нуль до момента, когда обратный ток уменьшит­ся до значения 0,1*I_ПР, называют временем восстановления обратного сопротивле­ния и обозначают т_1ЮС. Это время складывается из двух стадий: τ_BOC = τ₁ + τ₂. Дли­тельность переключения диода с прямого направления на обратное зависит от времени жизни носителей заряда в базе. Чем оно меньше, тем выше скорость ре­комбинации, тем быстрее рассасывается накопленный в базе заряд.