, (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.
3. Особливості перемикання для діодів різних конструкцій
Імпульсними називають такі напівпровідникові діоди, які завдяки спеціально прийнятим конструктивно - технологічним заходам можуть працювати в швидкодіючих імпульсних схемах з часом перемикання 1 мксек і менш.
Основною причиною інерційності напівпровідникових діодів при роботі їх в режимі перемикання є ефект накопичення нерівноважних носіїв заряду поблизу p-n переходу. Вивчення основних фізичних закономірностей, пов’язаних з цим ефектом, дозволяє розрахувати інерційність діода в тій чи іншій схемі й знайти технологічні шляхи, які дозволять зменшити ефект накопичення й підвищити швидкодію діода. Крім того, важливу роль в інерційності діода грає бар’єрна ємність p-n переходу. Оскільки мале значення бар’єрної ємності є типовим і для високочастотних діодів, у ряді випадків окремі типи цих приладів з успіхом використовуються в імпульсних схемах. Відомо, що роль ефекту накопичення нерівноважних носіїв заряду слабшає при зменшенні їх часу життя. Зниження величини бар’єрної ємності досягається зменшенням площі p-n переходу.
Таким чином, головні ознаки, що відрізняють імпульсні діоди від інших діодів, - це мала площа p-n переходу та малий час життя нерівноважних носіїв заряду.
За способом виготовлення p-n переходу імпульсні діоди поділяються на точкові, сплавні, дифузійні та епітаксіальні.
3.1 Сплавні діоди
Отримання електронно - діркових переходів сплавленням - найбільш простий метод виготовлення германієвих та кремнієвих діодів. Перевагою цього методу є відносно простий технологічний процес, який не потребує дорогокоштуючого обладнання, а недоліками - великий розкид параметрів та обмежений частотний діапазон приладів.
Процес сплавлення полягає в тому, в напівпровіднику даного типу провідності створюється область протилежного типу провідності. Для цього у поверхню початкового кристала напівпровідника вплавляють який - небудь елемент III або V групи періодичної таблиці Д.І. Мендєлєєва. Елементи III групи (індій, алюміній, галій, бор) є акцепторами і при сплавленні з електронним напівпровідником утворюють область з дірковим типом провідності. Елементи V групи (сурма, миш’як, фосфор, вісмут ) є донорами і при сплавленні з дірковим напівпровідником утворюють область з електронним типом провідності.
На рис.3.1, зображений сплавний діод.
Рисунок 3.1- Конструкція p-n переходу сплавних діодів
Так, при створенні кремнієвих сплавних імпульсних діодів у кристал кремнію вплавляється кінець тонкої алюмінієвої проволоки. Після охолодження у місці спаю створюється дуже тонкий шар кремнію, збагачений алюмінієм, який ще й має той самий напрямок кристалографічних осей, що й вихідний монокристал. Цей шар називається рекристалізованим. Границя між вихідним монокристалом електронної провідності й сильно легованим р- шаром являє собою p-n перехід.
При створенні аналогічних германієвих діодів замість методу сплавлення у печі використовують метод імпульсної зварки. До кристалу германія ,закріпленого на балоні , підводиться тонка золота голка і через отриманий контакт пропускають імпульс струму великої амплітуди. Завдяки низькій температурі плавлення сплава золото- германій (~370ºС) кінець золотої голки зварюється з германієм. Описанні діоди отримали назву діодів з золотим зв’язком.
У більшості випадків дифузійна довжина носіїв заряду у базі дуже мала (не більше 20-30мкм),так що радіус кривизни фронта вплавлення значно перевищує величину .Тому можна вважати, що сплавні діоди являють собою прилад з плоским p-n переходом.
Важливою характеристикою перехідного процесу в діоді є величина заряду перемикання Qп, що дорівнює повному електричному зарядові, відданому діодом у зовнішнє коло після перемикання і складає частину накопиченого при протіканні прямого струму заряду .
Якщо у колі тече великий струм (), тоді для сплавних діодів заряд перемикання дорівнює:
(3.1)
У площинного сплавного діода , тоді
(3.2)
При зменшенні струму величина зменшується. Залежність від режиму перемикання при виконуванні нерівності 0,1 <<1 може описана наступною формулою:
(3.3)
У випадку сплавного діода з товстою базовою областю () тривалість фази постійного зворотного перехідного струму , тобто тривалість плоскої частини імпульсу зворотного струму(«полички»), визначається виразом:
,(3.4)
де
- функція помилок (error function).(3.5)
Величина t1 пропорційна, а також залежить від відношення . Для великих і малих значень i1 використовуючи формули розкладання інтеграла помилок у ряд, можна одержати вирази, що визначають t1 у явному виді.
