• диффузионная емкость pn-перехода
  • Переходные процессы в pn-переходе
    • 3.1.4. Диффузионная емкость pn перехода.

    При прямом включении pn перехода носители диффундирую через барьер и накапливаются в соседней области. Количество инжектированного в соседнюю область заряда зависит от величины, приложенного к pn переходу напряжения, т.е. изменение инжектированного заряда при изменении приложенного напряжения может характеризоваться емкостью, которую принято называть диффузионной.

    Cдиф = dQ/dU, (66)

    где Q - инжектированный заряд.

    На рис. 29 показано распределения дырок инжектированных при двух разных напряжениях, подтверждающее наличие диффузионной емкости, которая для приведенного примера может быть рассчитана как Cдиф = ΔQp/ΔU, где ΔU = U2 - U1.


    Рис. 29. Распределение заряда дырок, инжектированного в n- область при двух разных напряжениях на pn - переходе

    Рассчитаем заряд дырок инжектированных в n-область воспользовавшись формулой для распределения носителей заряда в длинной n-области (51) и учитывая, что граничная концентрация инжектированных носителей Δpn(0) = pn0[exp(U/UT) - 1]:

    (67)

    Откуда, используя формулу для Jsp (54) находим :

    (68)

    Поскольку диффузионная емкость возникает при прямом смещении, при этом обычно хорошо соблюдается условие U>UT, то с хорошей степенью точности можно считать, что соблюдается условие:

    (69)

    Тогда, учитывая, что для инжектированных в p область электронов можно записать аналогичное соотношение, получим:

    (70) Если соблюдалось условие τp = τn = τ, то:

    Cдиф = J τ/UT (71)

    Таким образом, как видно из (70) и (71) диффузионная емкость зависит от величины прямого тока через pn переход и времени жизни носителей заряда, которая определяет глубину проникновения носителей заряда в соседнюю область. Действительно, чем больше время жизни инжектированных носителей заряда тем на большую глубину они проникают и тем больше величина инжектированного заряда (см. рис. 29).

    То, что в формулу для диффузионной емкости входит время жизни инжектированных носителей свидетельствует о том, что диффузионная емкость имеет частотную зависимость, Действительно на частотах для которых период меньше времени жизни носители не будут успевать проникать вглубь материала и соответственно диффузионная емкость будет падать. На рис. 30 приведен график, характеризующий частотную зависимость емкости pn перехода, включенного в прямом направлении. Как видно из графика частотная зависимость емкости перехода определяется частотной зависимости двух составляющих диффузионной и барьерной. Частотная зависимость барьерной емкости проявляется на частотах значительно более высоких по сравнению с диффузионной. То какая из емкостей больше зависит от технологических параметров диода (значений времен жизни) и величины прямого тока.


    Рис. 30. Зависимость емкости включенного в прямом направлении pn перехода от частоты: 1 - общая емкость, 2 - диффузионная емкость, 3 - барьерная емкость

    Уменьшение с частотой глубины проникновения носителей заряда формально можно описать введя частотно-зависимую диффузионную длину:

    Lp(ω)=Lp2/(1+i ωτp) (73)

    где Lp - рассмотренное ранее низкочастотное значение диффузионной длины.

    Соответственно для модуля L(ω) можно записать: (74)

    Формулы (73), (74) позволяют получить частотно-зависимые решения для зависимости протекающего через pn переход тока от частоты, произведя в решении полученном на основе решения уравнения непрерывности (53), (54) замену величин Lp, Ln на величины Lp(ω), Ln(ω)из (73).

    3.1.5. Переходные процессы.

    При работе диода в импульсном режиме переходные процессы в нем определяются его емкостными характеристиками. Для малого сигнала значения емкостей можно считать величинами постоянными. При больших сигналах имеют место нелинейные процессы, что может приводить к специфической реакции прибора.

    Рассмотрим влияние процесса накопления и рассасывания инжектированного заряда (диффузионной емкости) переходные характеристик тока через переход. На рис. 31 показана электрическая схема, которая может быть использована для изучения переходных характеристик диода, обусловленных свойствами pn перехода. Для задания напряжения произвольной формы на диоде служит импульсный генератор. Регистрация сигналов осуществляется двухканальным осциллографом. Напряжение на диоде регистрируется дифференциальным входом U. Ток регистрируется по падению напряжения на малом сопротивлении Rи, напряжение с которого подается на асимметричный вход осциллографа I. Сопротивление Rи много меньше сопротивления толщи баз диода и не оказывает существенного влияния на переходные процессы.


    Рис. 31. Схема для исследования переходных характеристики диода с pn переходом.