Реферат на тему:
Перехід діода у вимкнений стан
Момент завершеняя імпульсу струму не означає вимкнення діода. Навіть
після завершення протікання струму (наприклад, при разриві кола) діод на
протязі неякого часу залишається в увімкненому стані: його опір буде
низьким і на ньому буде зберігатись додатня напруга (моменти 5, 6 на
рис. 32). Пояснюється це тим, що після припинення протікання струму
інжектовані носії на протязі деякого часу будуть знаходитись поблизу pn
переходу і до тих пір, поки вони не зникнуть за рахунок рекомбінації,
висота бар’єру буде пониженою і pn перехід буде зміщений в додатньому
напрямку див. формулу (76). Зміщення буде зменшуватись по мірі зниження
граничної концентрації носіїв заряду (рис 34). Крива 4 на рис. 34
відповідає струмові, що протікає через діод в прямому напрямку, криві 3,
4 відповідають моментам переходу із увімкненого у вимкнений стан,
причому, оскільки струм через бар’єр відсутній, градієнт на межі рівний
нулю. Тільки після того, як гранична концентрація досягне рівноважного
значення pn0, напруга на переході стане рівна нулю. Можна вважати, що
діод повністю перейшов у вимкнений стан тільки після того, як в p та n
областях зникнуть інжектовані носії та встановляться рівноважні
концентрації np0 і pno відповідно.
Рис. 34. Розподіл інжектованих носіїв заряду в різні моменти часу (див.
рис. 32) при вимкненні діода.
Перемикання з прямого напрмку в зворотній.
Розглянемо випадок, коли відбувається перемикання діода з прямого
напрямку в зворотній (рис. 35), при цьому зворотня напруга може
перевищувати пряму в сотні разів. На рис. 36 показаний розподіл носіїв у
n базі діода в різні моменти часу. Крива 0 відповідає початковому
стаціонарному розподілу носіїв заряду, коли діод знаходиться в
стаціонарному стані, який відповідає прямому увімкненню. Крива 6
відповідає кінцевому стаціонарному розподілові носіїв заряду, коли діод
увімкнений у зворотньому напрямку. Перехідні процеси повинні забезпечити
зміну розподілу носіїв від початкового (0) до кінцевого (6).
Рис. 35. Форма сигналів, які характеризють перехідні процеси в діоді при
його перемиканні з прямого напрямку у зворотній: а) напруга від
імпульсного генератора, б) напруга на pn переході, в) струм через діод
Після миттєвої зміни полярності напруги на діоді, надходження дірок з p
області припиняється і на межі з областтю просторового заряду виникає
ступінчатий розподіл інжектованих дірок з градієнтом, що спрямований в
протилежну сторону – пунктирна лінія на рис. 36. Такому ступінчатому
градієнту повинен відповідати незкінчений розрядний струм, спрямований у
зворотньому напрямку. Оскільки будь-яке реальне електричне коло володіє
кінцевим опором R, то максимально можливий струм в колі буде Im = U/R,
де U – напруга, прикладена у зворотньому напрямку. Струмові Im
відповідає деякий градієнт концентрації на межі бар’єру (на рис. 36 він
позначений тонкою линією), цей градієнт буде зберігатись в процесі
розряду до тих пір, поки концентрація інжектованих при прямому
увімкненні носіїв буде достатньою для його підтримування (криві 1, 2, 3
на рис. 36 і відповідні їм моменти часу на рис. 35). Так виникає
“поличка” на кривій розрядного струму, який характеризує розсмоктування
інжектованих носіїв заряду. З часом градієнт концентрації на межі
зменшується, що викликає завершення полички в розрядному струмі та
початкові його спаду. По мірі розсмоктування та рекомбінації носіїв
заряду їх концентрація на межі зменшується і, відповідно, зменшується
пряме зміщення переходу див. (76). В момент, коли концентрація
неосновних носіїв заряду на межі досягне рівноважної, напруга на pn
переході стає рівною нулю.
Рис. 36. Зміна концентрації інжектованих носіїв у різні моменти часу
(див. рис. 35) при перемиканні діода з прямого напрямку у зворотній.
Після того як pn(0) стане меншим pn0,, напруга на переході змінює знак і
розподіл носіїв заряду в приконтактній області швидко досягає
відповідного зворотньо увімкненому переходу.
3.1.6. Вольтамперна характеристика pn переходу з рекомбінацією та
генерацією
носіїв заряду в області просторового заряду.
При розгляді ВАХ pn переходу раніше ми нехтували процесами генерації та
рекомбінації в шарі просторового заряду. При цьому нами був отриманий
наступний вираз:
3.1.7. Пробій pn переходу.
При збільшенні напруги на pn переході при досягненні деякої напруги
Uпроб починається різке зростання струму, що викликає пробій pn
переходу. Існує декілька фізичних механізмів пробою pn переходу.
Розглянемо основні з них.
Лавинний пробій.
gd¬
ймають участь в подальшому утворенні електронно-діркових пар. Процес
наростання кількості носіїв з часом носить лавинний характер, тому цей
тип пробою і називають лавинним.
Лавинний пробій характеризують коефіцієнтом лавинного помноження, для
якого є справедливим наступне співвідношення:
(78)
де J – зворотній струм до помноження (рівний сумі струму насичення та
генераційного струму), n – коефіцієнт, який залежить від матеріалу та
профілю легування pn переходу, цей коефіццєнт може приймати значення від
2 до 6.
Напруга лавинного пробою залежить від степені легування p та n областей.
Так, для різкого p+n переходу (p+ – означає сильне легування p області)
залежність напруги пробою від степені легування n області має вид:
(78)
де Eg – ширина забороненої зони в еВ, N – концентрація домішки в
слаболеованій області в см-3.
Відповідна залежність напруги від степені легування для різкого
несиметричного переходу для pn переходів, виготовлених з різних
матеріалів, показана на рис. 37.
Рис. 37. Залежність напруги лавинного пробою від концентрації домішки
для несиметричного ступенчатого переходу.
Тунельний пробій.
Якщо p та n області є сильно легованими, то ширина ОПЗ стає малою і за
рахунок тунельного ефекту з’являеться кінцева ймовірність для електронів
з валентної зони проникнути в зону провідності, подолавши бар’єр, який
виникає в сильному електричному полі. Для тунельного ефекту характерним
є те, що електрони після подолання бар’єру не змінюють своєї енергфї,
отже, для того, щоб цей ефект мав місце, електричне поле повинно бути
настільки сильним, щоб забезпечити такий нахил зон, при якому заповнені
електронами рівні валентної зони виявились навпроти незаповнених
енергетичних рівнів дозволеної зони рис. 38. Пунктиром на рисунку
показаний потенційний бар’єр, який повинен подолати один з електронів.
Оскільки туннельний механізм переходу носіїв має місце тільки при малій
ширині ОПЗ, то для цього типу пробою є характерними невисокі пробивні
напруги. До відмінних особливостей тунельного пробою необхідно також
віднести порівняно слабу залежність від температур напруги пробою.
Рис. 38. Енергетична діаграма, що пояснює виникнення вільних носіїв
заряду при тунельному переході.
Тепловий пробій.
При збільшенні зворотньої напруги збільшується і потужність, що
розсіюється на переході у виді тепла, тому для pn переходів з порівеяно
високими зворотніми струмами можливе розігрівання pn переходу, що, в
свою чергу, викличе збільшення зворотнього струму. Зростання зворотнього
струму викличе додаткове виділення тепла і, відповідно, додатковому
розігріву, що послужить причиною подальшого збільшення зворотнього
струму. Таким чином, в pn переході виникає додатній зворотній зв’язок,
який викличе збільшення теплової нестійкості – тепловий пробій.
Припустимо, що ми знімаємо ВАХ pn переходу, підтримуючи потійною
значення потужності P = UI = const, яка виділяється в переході і
відповідає визначеній температурі. На рис. 39 показані відповідні різній
температурі зворотні струми та гіперболічні криві, які відповідають
постіності потужності, яка виділяється і визначає температуру переходу.
Якщо з’єднати точки перетину кривих, які відповідають однаковій
температурі, то отримаємо зворотню гілку характеристики pn переходу у
випадку його теплового пробою.
Рис. 39. Діаграма, яка пояснює формування зворотньої гілки
вольтамперної характеристики pn переходу при тепловому пробої.
Як видно з рис. 39, при тепловому пробої на зворотній характеристиці pn
переходу виникає ділянка з від’ємним диференційним опором. На цій
ділянці має місце зростання струму при зменшенні напруги (нестійкість
струму). Якщо не прийняти спеціальних мір для обмеження струму, то діод
виходить з ладу. Передпосилкою для виникнення теплового пробою служать
великі значення зворотнього струму, тому цей тип пробою легше виникає в
приладах, які виготовлені на основі матеріалів з невеликою шириною
заборонеої зони. Так, наприклад, у високовольтних германієвих діодах він
може мати місце уже при кімнатних температурах. В діодах на основі Si та
GaAs він може мати місце при високих температурах, коли значення
зворотніх струмів стають більшими.
Використана література:
Основы промышленной электроники/ Под ред. В.Г. Герасимова. -М.: Высшая
школа, 1978.
Изъюрова Г.И., Кауфман М.С. Приборы и устройства промышленной
электроники. -М.: Высшая школа, 1975.
Миклашевский С.П. Промышленная электроника. -М.: Высшая школа, 1973.
Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника. – М.: Высшая
школа, 1988.
Основы промышленной электроники/Под ред. В.Г. Герасимова. – М.: высшая
школа, 1982.
Гершунский В.С. Основы электроники. – К.: Вища школа, головн. из-во,
1982.
Жеребцов И.П. Основы электроники. – Л.:Энергоатомиздат, 1985.
Нагорский В.Д. Электроника и электрооборудование. – М.: Высшая школа,
1986.
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
