4.1.4. Эквивалентная схема диода

С учетом полученных дифференциальных параметров можно построить эквивалентную малосигнальную схему диода для низких частот (рис. 4.3а, б, в). В этом случае наряду с уже описанными элементами – дифференциальным сопротивлением (рис. 4.3а) и емкостями диода (рис. 4.3б) необходимо учесть омическое сопротивление квазинейтрального объема базы (r_об) диода. Сопротивление квазинейтрального объема эмиттера можно не учитывать, поскольку в диодах эмиттер обычно легирован существенно более сильно, чем база.

Рис. 4.3. Приборные характеристики и эквивалентная малосигнальная схема для выпрямительных диодов [23, 24]:

а) зависимость дифференциального сопротивления диода ГД402 от величины тока при прямом смещении;

б) зависимость емкости диода ГД402 от обратного напряжения;в) эквивалентная малосигнальная схема диода для низких частот

4.2. Варикапы

Зависимость барьерной емкости С_Бот приложенного обратного напряженияV_Gиспользуется для приборной реализации. Полупроводниковый диод, реализующий эту зависимость, называетсяварикапом. Максимальное значение емкости варикап имеет при нулевом напряженииV_G. При увеличении обратного смещения емкость варикапа уменьшается. Функциональная зависимость емкости варикапа от напряжения определяется профилем легирования базы варикапа. В случае однородного легирования емкость обратно пропорциональна корню из приложенного напряжения

V_G. Задавая профиль легирования в базе варикапаN_D(x), можно получить различные зависимости емкости варикапа от напряженияC(V_G) – линейно убывающие, экспоненциально убывающие. На рисунке 4.4 показана зависимость емкости варикапов различных марок от приложенного напряжения.

Рис. 4.4. Конструкция варикапа (а) и зависимость емкости варикапа от напряжения для различных варикапов (б – КВ116А,в – КВ126А,г – КВ130А) [23, 25]

4.3. Влияние генерации, рекомбинации и объемного сопротивления базы на характеристики реальных диодов

В реальных выпрямительных диодах на основе p

‑nперехода при анализе вольт‑амперных характеристик необходимо учитывать влияние генерационно-рекомбинационных процессов в обедненной областиp‑nперехода и падение напряжения на омическом сопротивлении базыp‑nперехода при протекании тока через диод.

При рассмотрении влияния генерационно‑рекомбинационных процессов в ОПЗ p‑nперехода будем считать, что доминирующим механизмом генерационно-рекомбинационного процесса является механизм Шокли – Рида. В этом случае для моноэнергетического рекомбинационного уровня, расположенного вблизи середины запрещенной зоны полупроводника, выражение для темпа генерации (рекомбинации) имеет вид:

. (4.6)

Параметры, входящие в соотношение 4.10, имеют следующие значения:

γ_n,γ_p– вероятности захвата электронов и дырок на рекомбинационный уровень;

N_t– концентрация рекомбинационных уровней;

n,p– концентрации неравновесных носителей;

n₁,p₁– концентрации равновесных носителей в разрешенных зонах при условии, что рекомбинационный уровень совпадает с уровнем Ферми.

Из уравнений 4.6 и 1.20 следует, что при прямом смещении (V_G

 > 0) произведение концентрации неравновесных носителейp·nбудет больше, чем произведение концентрации равновесных носителейp₁·n₁(p·n > p₁·n₁). Следовательно, правая часть уравнения 4.6 будет положительная, а скорость изменения концентрации неравновесных носителейdn/dtбудет отрицательной. Таким образом, концентрация неравновесных носителей будет убывать и рекомбинация будет преобладать над генерацией.

При обратном смещении (V_G < 0) соотношения будут обратными, концентрация неравновесных носителей будет возрастать и генерация будет преобладать над рекомбинацией. Рассмотрим более подробно эти процессы.

9. Эквивалентные схемы полупроводниковых диодов для малого переменного сигнала, низкой и высокой частоты. Физическое содержание элементов схемы, методы определения.

Высокочастотная Низкочастотная

Физическое содержание:

1) С_дфконденсатор, характеризующий наличие в диоде диффузионной емкости

2) r_Б,r_дифрезисторы, определяют дифференциальное сопротивления и сопротивление базы диода.

;

При низких частотах когда ωτ<<1, τ – время жизни инжектированных в базу диода носителей.

;, здесь

10. Биполярный бездрейфовый транзистор. Определение и классификация транзисторов.

Транзистор– это электропреобразовательный прибор с одним или несколькими электрическими переходами и пригодный для усиления сигнала по мощности электрических сигналов, имеющих 3 или более вывода.

Биполярный транзистор– имеет 2 близко расположенных и взаимодействующих p-n переходов, усилительные свойства которых обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных для базы носителей. Управление током производится путем изменения уровня инжекции эмиттерного перехода.

Классификация:

1. По принципу действия:

— биполярные (дрейфовые, бездрейфовые)

— полевые

2. По материалу:

1ый элемент маркировки: Ge : Г, 1; Si:K, 2; соедGa: А, 3.

2ой элемент маркировки: Т – биполярный, П – полевой

3. По мощности:

-маломощные (до 300 мВт) (1-низк, 2-средн, 3-высок)

-средней мощности от 0,3 до 1,5 Вт (4,5,6)

-мощные больше 1,5 Вт (7,8,9)

4. По рабочему диапазону частот:

-низкочастотные (<3 МГц)

-среднечастотные (3 – 30 МГц)

-высокочастотные (>30 МГц)

3ий элемент – цифра, определяющая функциональные возможности транзистора

4ый – номер разработки

5. По методу изготовления:

-сплавной

-диффузионный

-диффузионно-сплавной

-планарный

-мезапланарный

-эпитаксиально-мезапланарный

11. Устр-во и степень легирования областей. Распределение поля и потенциала вдоль т. Распределение носителей в базе. Схемы включения т. Коэф. Усиления — Кi, кu, кp.

Биполярный транзистор– имеет 2 близко расположенных и взаимодействующих p-n переходов, усилительные свойства которых обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных для базы носителей. Управление током производится путем изменения уровня инжекции эмиттерного перехода.

БТ состоит из пластинки монокристалла п/п, имеющей 3 области с чередующимся типами проводимости. В зав-ти от порядка чередования областей: транзисторы типов p-n-р и n-p-п. Одну из крайних областей транзистора легируют примесями сильнее. Эта область работает в режиме инжекции и называется эмиттером. Средняя область слабо легирована примесями и называется базой, а другая крайняя область — коллектором. Коллектор служит для экстракции носителей заряда из базовой области, поэтому по размерам он больше эмиттера.

В БТ обычно выполняется условие: Nэ > Nк >> Nб; W =(0,1-0,3) L.

pn-переход между эмиттером и базой называется эмиттерным переходом, а между коллектором и базой — коллекторным. В усилительном режиме на ЭП подается прямое напряжение, на КП — обратное. Носители заряда от эмиттера к коллектору через базу движутся расходящимся пучком, поэтому площадь КП выполняется больше площади ЭП, чтобы обеспечить наилучшие условия передачи носителей заряда от Э к К.

Коэффициенты усиления — К_i

, К_U

К_P:;;.

Распределение поля и потенциала вдоль Т: Распределение носителей в областях транзистора:

Схемы включения транзистораn—p—

n структуры:

12.Токи в транзисторе. Коэф. передачи транзистора по току в схеме с ОБ α. Его зависимость от материала п/п, степени легирования, и конструктивных особенностей транзистора. Коэф. передачи транзистора по току в схеме с ОЭ β.

Схема с ОБ.

γ–эффективность эмиттера, показывает какую часть полного эмиттерного тока составляют основные для эмиттера носители (р_э и р_б — уд. сопр. эмиттерного и базового слоев п/п, W — толщина базы; Lp — длина свободного пробега дырок в базе)

Чтобы увеличить γ надо: увел.Nпрэ, уменьшитьNпрб, уменьшитьW, увел. Lp.Рекомбинационные потери в базе учитываются коэффициентом переноса χ. Коэффициент переноса показывает, какая часть дырок, инжектированных эмиттером, достигает КП:

Чтобы увеличить χнадо: увел. уменьшитьNпрб, уменьшитьW, увел. Lp, внешний вывод базы отодвинуть от активной области, уменьшить поверхостн. рекомбинацию (спецпокрытие).

Через КП протекает не только дырочный, но и эл. ток, поэтому можно говорить об эффективности КП а*, определяемой из соотношения: а*=I_K/I_KP=(I_KP+I_КП)/I_KP

Чтобы увеличить а*надо: увел.Nпрк,Sк>Sэ,Uкб доп.=0,8Uлав.пр, увел.р_бт.е. умен.Nпрб.

Произведение трех коэффициентов γ, χ, а* определяет коэффициент передачи эмиттерного тока в К а или коэффициент передачи по току БТ в схеме включения с ОБ:

при Uкб <Uлав.пр а*=1, т.е.=>

I‘_б= I_э — I_к = (1-а)I_э –рекомбинационная состов. тока базы

I_к0 –неуправл. ток КП

I_к0 = I₀ (ток насышения)+I_тг (ток термогенер) +I_у(ток утечки)Схема с ОБ:

для любой схемы вкл.

I_э= I_к + I_б

I_к=аI_э+ I_к0

I_б= (1-а)I_э— I_к0

Так как I_к > I_б то транзистор в схеме с ОЭ усиливает и по току, коэффициент усиления по току β:

Если а=0.9-0.995 то β=10-200

Диограма токов в тразсторе в схеме с ОЭ.

для любой схемы вкл.

I_э= I_к + I_б

I_к=аI_э+ I_к0

I_б= (1-а)I_э— I_к0

4.1.4. Эквивалентная схема диода

С учетом полученных дифференциальных параметров можно построить эквивалентную малосигнальную схему диода для низких частот (рис. 4.3а, б, в). В этом случае наряду с уже описанными элементами — дифференциальным сопротивлением (рис. 4.3а) и емкостями диода (рис. 4.3б) необходимо учесть омическое сопротивление квазинейтрального объема базы (r_об) диода. Сопротивление квазинейтрального объема эмиттера можно не учитывать, поскольку в диодах эмиттер обычно легирован существенно более сильно, чем база.

Рис. 4.3. Приборные характеристики и эквивалентная малосигнальная схема для выпрямительных диодов [23, 24]: а) зависимость дифференциального сопротивления диода ГД402 от величины тока при прямом смещении; б) зависимость емкости диода ГД402 от обратного напряжения; в) эквивалентная малосигнальная схема диода для низких частот.

55. Работа синхронной машины в режиме двигателя. Рабочие характеристики синхронного двигателя.

Как и все электрические машины, синхронные машины обратимы. Синхронный двигатель по своей конструкции принципиально не отличается от синхронного генератора. В случае идеальной синхронизации (Uс = Eг, fс = fг) подключённая к сети синхронная машина не отдаёт энергию в сеть и не потребляет её из сети (Uс и fс – напряжение и частота сети, Eг и fг ЭДС и частота генератора). Покрытие потерь в машине осуществляется за счёт первичного двигателя. Изменение момента, приложенного к валу машины, приведёт к изменению угла Θ между полем ротора и суммарным магнитным полем машины, не нарушая при этом синхронную частоту вращения. При идеальной синхронизации угол Θ равен нулю. Чтобы заставить генератор отдавать энергию в сеть, надо увеличить вращающий момент со стороны первичного двигателя. Это приведёт к увеличению угла Θ между полем ротора и суммарным магнитным полем машины и нарушению взаимной компенсации Eг и Uс. В результате появится уравнительный ток, магнитный поток которого по правилу Ленца будет препятствовать вращению ротора. Будет создаваться противодействующий момент, на преодоление которого потребуется дополнительное увеличение вращательного момента первичного двигателя. В этом случае вращающееся магнитное поле ротора будет вести за собой поле статора, а электромагнитные силы, играют роль упругой связи между двумя полями. Генератор начнёт отдавать энергию в сеть. Максимум отдаваемой энергии будет при значении Θ=90˚. Если же величину вращающего момента со стороны первичного двигателя уменьшить, то угол Θ начнёт уменьшаться, и при полном отключении первичного двигателя ротор вместе со своим магнитным полем несколько отстаёт от вращающегося поля статора (угол Θ станет отрицательным). Вращающееся поле статора поведёт за собой ротор, являющийся электромагнитом. Синхронная машина превращается в синхронный двигатель, в котором и поле статора и поле ротора будут вращаться с одинаковой скоростью, т.е. синхронно. По мере увеличения нагрузки на валу такого двигателя угол Θ будет увеличиваться по модулю, оставаясь отрицательным. Это приведёт к увеличению тока в цепи двигателя, т.е. к увеличению потребляемой мощности. В синхронном двигателе увеличение механической нагрузки приводит к увеличению угла Θ между полюсами вращающихся полей статора и ротора при неизменной скорости вращения ротора. Ротор двигателя должен вращаться с такой же скоростью, что и поле статора, проходя полюс за полпериода переменного тока. При этом на него будет действовать вращающий момент одного и того же направления.

Рабочими характеристиками синхронного двигателя являются зависимости потребляемой мощности P1, потребляемого тока I1, вращающего момента М, cosφ и КПД (η) от полезной мощности нагрузки P2. Они изображены на рис.9.7 и соответствуют случаю, когда на холостом ходу cosφ =1.

 

 

Рис.9.7.

При постоянном токе возбуждения увеличение нагрузки на валу вызывает уменьшение cosφ, что объясняется увеличением реактивного падения напряжения при возрастании потребляемого от сети тока I1. КПД η с увеличением нагрузки быстро увеличивается и достигает максимума, когда не зависящие от нагрузки механические потери и потери в стали становятся равными зависящим от нагрузки потерям в меди обмоток. Дальнейшее увеличение нагрузки снижает КПД. Потребляемый статором ток I1 на холостом ходу мал, при этом cosφ =1. При увеличении нагрузки I1 возрастает практически пропорционально нагрузке. Вращающий момент М на холостом ходу мал, т.к. механические потери невелики. При увеличении нагрузки, благодаря постоянству скорости вращения синхронного двигателя, вращающий момент возрастает почти линейно.

Потребляемая мощность Р1 растёт быстрее, чем полезная мощность Р2, т.к. при увеличении нагрузки сказывается увеличение электрических потерь в двигателе, которые пропорциональны квадрату тока.

Полупроводниковый диод. Его характеристики, эквивалентная схема и конструкция. Использование диодов в современной технике

Электронно-дырочный переход активно используют в полупроводниковых устройствах, например диодах. Главная особенность этих устройств – это возможность пропускать ток только в одном направлении. Это свойство диодов активно применяют при преобразовании переменного тока в постоянный.

В идеальном полупроводнике характеристика будет иметь следующий вид:

Но с реальной характеристикой диода будет совпадать только первый квадрант, а обратный ток I₀ будет иметь следующий вид:

При относительно малых значениях обратного напряжения участок 0-1 совпадает с идеальной характеристикой элемента. При увеличении обратного напряжения обратный ток будет возрастать за счет поверхностной проводимости (участок 1-2). При дальнейшем увеличении напряжения электроны будут набирать в электрическом поле значительную энергию и сжиматься с атомами в узлах кристаллической решетки, передавая ее другим электронам. Начинается лавинная генерация электронов и ток значительно возрастет на участке 3-4. Этот процесс называется пробоем диода. Этот пробой не разрушит p-n переход полупроводника, если снизить напряжение обратное на элементе, то диод снова вернется на промежуток 1-2 характеристики. Пробои могут быть:

• Лавинный – возникает при большой площади p-n перехода и объясняется лавинным ростом количества носителей при ударной ионизации атомов;
• Тоннельный – возникает при малой площади p-n перехода. При этом возрастет напряженность электрического поля, и электроны будут двигаться вдоль этого поля как будто бы в тоннеле, не встречая на своем пути практически никакого сопротивления.

Если ток и дальше продолжит свой рост (участок 4-5), то температура перехода резко возрастет, что приведет к его разрушению. Его сопротивление резко упадет и, как следствие, падает напряжение на нем. Произойдет тепловой пробой, что полностью выводит диод из строя.

Во избежание теплового пробоя необходимо выбирать диод так, чтоб обратное напряжение было меньше, чем напряжение пробоя U_проб., при котором возникнет электрический пробой. На практике Uмакс. обратное, как правило, составляет около 70% от Uпроб.

Реальная характеристика зависит также и от температуры, при ее увеличении она смещается вправо (см. рисунок выше).

Обратную характеристику применяют очень активно в полупроводниковых приборах

имеющих название стабилитронов. Они выполняют функции защиты электрических цепей от перенапряжений. Более подробно мы рассмотрим стабилитроны в следующих статьях.

Прямую ветвь полупроводников тоже можно использовать для стабилизации напряжений, но довольно малых значений 0,5 – 1 В. Такие устройства носят название опорных диодов.

На электрических схемах диод имеет следующее обозначение:

Та часть полупроводника, которая имеет дырочную проводимость называется анодом, а та, которая имеет электронную – катодом. Чтоб через полупроводник протекал ток, необходимо к аноду приложить положительное напряжение, а к катоду – отрицательное.

Упрощенная вольт-амперная характеристика диода

Как мы увидели ранее – характеристика диода нелинейная. Для проведения расчетов электрических цепей, в которых присутствуют полупроводники, нелинейную часть характеристики заменяют эквивалентными линейными элементами и ведут расчет. Такая схема показана ниже:

Где: D – диод идеальный, R_пр – прямое, R_зв – обратное сопротивления полупроводника, Е – источник напряжения.

Если заменить вольт-амперную характеристику полупроводника ломаной линией, как это показано ниже:

Наклон отрезка АЕ будет соответствовать прямому сопротивлению элемента R_пр, точка встречи этого отрезка с горизонтальной осью будет определять значение источника напряжения Е. при отрицательном напряжении анода и положительном катода работать будет правая часть схемы, при обратной ситуации (анод +, катод -), будет работать левая часть схемы.

Конструкция диода

Одна из возможных конструкций диода показана ниже:

Рассмотрим одну из возможных конструкций прибора. Кристалл полупроводника 1 (например, с электронной проводимостью) размещен на металлической основе 3. На верхней части кристалла размещена примесь 2 (например индий), который обеспечивает наличие дырочной проводимости. Кристалл закрыт корпусом 4 во избежание различных механических повреждений p-n перехода.

С индиевой наплавки сделан изолированный вывод через стеклянный изолятор 5 – это анод прибора. Выводом же катода будет металлический корпус 3, которая также обеспечивает отвод тепла при работе устройства, чем защищает его от теплового пробоя и перегрева.

В свою очередь полупроводниковые элементы делят на:

• Малая мощность – ток до 0,3 А;
• Средняя – от 0,3 до 10 А;
• Мощные – от 10 А;

Схемы включения диодов

Если возникнет необходимость пропускать через полупроводники токи, которые больше их номинальных, соединяют их параллельно, что позволит пропустить больший ток, но возникает необходимость использовать индуктивные делители, для выравнивания токов элементов, схема ниже:

При больших напряжениях – соединяют последовательно. Но для таких соединений необходимо применять специальных схемы коммутации, чтоб не допустить выход элементов из строя, они показаны ниже:

1.4. Конструкции диодов

По площади p-n перехода диоды подразделяются на точечные и плоскостные.

В точечных диодах p-n переход получают при помощи металлической иглы с нанесенной на острие примесью (рис. 5). При пропускании импульса тока примесь диффундирует в толщу полупроводника, образуя полусферический слой противоположного типа электропроводности.

Рис.5

Точечные диоды имеют малую емкость перехода ( 1 пФ) могут, применятся на всех частотах вплоть до СВЧ. Однако вследствие малой площади перехода точечные диоды допускают токи не более десятков миллиампер.

Плоскостные диоды изготовляют методом сплавления или диффузии. Для их изготовления в пластину исходного полупроводника вплавляется капля примеси, либо создаются условия для диффузии газообразной примеси (рис.6).

Плоскостные диоды допускают прохождение прямых токов, доходящих до сотен ампер в мощных диодах, но обладают большой емкостью до сотен пФ, что ограничивает частотный диапазон их применения областью НЧ.

Рис. 6

Диффузионная область диодов более богата примесями – она является эмиттером. Противоположная область является базой.

Выводы диодов образуются с помощью Me, образующих омический контакт с полупроводником.

1.5. Основные параметры диодов

Наряду с ВАХ диодов, свойства диодов могут быть описаны с помощью параметров, основные из которых можно определить по ВАХ. К таким параметрам относятся: U_ОБРДОП, I_{ПР MAX}, U_ПР I_ОБР. Кроме этих параметров, следует выделить дифференциальное сопротивление R_диф, статическое сопротивление R_с и емкость диода C_Д. Величина R_с характеризует свойства диода на постоянном токе, дифференциальное сопротивление R_диф характеризует работу прибора на переменном токе.

Дифференциальное сопротивление легко находится из выражения для ВАХ диода: .

При обратных смещениях величина I мала и R_дифсоставляет 10-10000 кОм. При прямых смещениях R_диф составляет десятки, сотни Ом.

Сопротивление по постоянному току определяется: .

В соответствии с этими параметрами каждая точка ВАХ диода характеризуется двумя значениями сопротивления: протеканию постоянного тока диод оказывает сопротивление R_с, а протекание переменного тока малой амплитуды диод оказывает сопротивление R_диф. При прямых смещениях R_диф R_с. При обратных смещениях R_дифR_с.

Емкость диода состоит из трех составляющих барьерной, диффузионной (в зависимости от обратного или прямого смещения) а также емкости корпуса С_к. В качестве параметра используется емкость диода, измеренная при фиксированном смещении. Этот параметр диода должен учитываться при работе прибора в импульсном режиме, а также при работе на высоких частотах.

1.6. Эквивалентные схемы диодов

В расчетах радиотехнических схем диод приходится представлять в виде эквивалентной схемы, состоящей из элементарных элементов R, C, L, а при необходимости – источников тока и напряжения. С целью упрощения расчетов модель должна содержать только минимально необходимое число элементов, отражающих только главные физические процессы в диоде.

В частности, при работе на постоянных токах и НЧ эквивалентная схема должна учитывать сопротивление запирающего слоя p-n перехода R_П, которая зависит от смещения и сопротивления базы r_б (рис. 7).

Рис. 7

В области средних и высоких частот, а также в импульсном режиме дополнительно необходимо учитывать зависимость емкости диода от напряжения смещения (рис. 8).

Рис. 8

Математические модели диодов: анализ электронных схем, ВАХ

При анализе электронных схем на ЭВМ все электронные приборы, в том числе и диоды, заменяются их математическими моделями.

Математическая модель диода — это совокупность эквивалентной схемы диода и математических выражений, описывающих элементы эквивалентной схемы. Кратко рассмотрим математическую модель диода, используемую в пакете программ для анализа схем MicroCap-2. Это одна из наиболее простых моделей. Изобразим эквивалентную схему диода (рис. 1.35).

Постоянное сопротивление R включено в схему с целью учета тока утечки. Емкость C  моделирует барьерную и диффузионную емкости диода.

Управляемый источник тока i_y моделирует статическую вольт-амперную характеристику. Математическое описание тока i_y и емкости C достаточно громоздкое, но основано на учете уже рассмотренных выше физических явлений в диоде.

Модель является универсальной и хорошо моделирует диод как в статическом (на постоянном токе), так и в динамическом (в переходных процессах) режиме, учитывает влияние температуры на свойства диода.

В простейших случаях, например при ориентировочных ручных расчетах, иногда используют несложные математические модели диодов. При этом часто пользуются кусочно-линейной аппроксимацией вольт-амперной характеристики диода.

Изобразим вольт-амперную характеристику диода (рис. 1.36), выполним линейную аппроксимацию прямой и обратной ветвей и изобразим соответствующие эквивалентные схемы диодов для прямого (рис. 1.37) и обратного включений (рис. 1.38).

Рассмотрим в качестве примера расчет тока и напряжений в простейшей схеме (рис. 1.39).

Поскольку диод смещен в прямом направлении, то используем эквивалентную схему для прямого включения диода и получим линейную схему постоянного тока, представленную на рис. 1.40.

Выполним анализ этой цепи: E=u_R+u_d; i = ( E – u₀) / ( R + r диф.пр.),

откуда u_R = i · R = ( E – u₀) / ( R + rдиф.пр.) · R, u_d = E — u_R = E — ( E – u₀) / ( R + rдиф. пр.) · R

При приближенном анализе схемы с диодом иногда можно пренебречь величинами r диф.пр. и u_d и заменить включенный диод идеальным источником напряжения с нулевой величиной напряжения, т. е. так называемой «закороткой», а также пренебречь обратным током i₀ (близким к нулю) и сопротивлением r диф.обр. (близким к бесконечности) и заменить выключенный диод разрывом. Это соответствует замене реального диода идеальным, обладающим вольт-амперной характеристикой, представленной на рис. 1.41.

Изобразим эквивалентные схемы идеального диода для прямого (рис. 1.42) и обратного включений (рис. 1.43).

Барьерная и диффузионная емкости. Эквивалентная схема диода

Инерционность полупроводникового диода обусловлена двумя факторами: 1) при изменении напряжения на P — N-Переходе изменяется его ширина и, следовательно, заряды ионов примеси в области объемного заряда (ОПЗ) перехода; 2) стационарное распределение неосновных носителей в базе и эмиттере не может установиться мгновенно при изменениях тока или напряжения. На Эквивалентной схеме диода (рис.1) изменение зарядов ионов в ОПЗ P — N-Перехода моделируется Барьерной емкостью , а изменение зарядов неосновных носителей в базе и эммитере — Диффузионной емкостью .

На рис.1 ток соответствует току носителей заряда, инжектируемых через ОПЗ. ВАХ идеального диода имеет вид

, (1)

Где — напряжение на P — n-Переходе, — тепловой ток, — температурный потенциал. Напряжение на диоде складывается из напряжений на P — n-переходе и на сопротивлении базы :

. (2)

Барьерная емкость P — N-Перехода определяется его шириной , зависящей от напряжения на переходе :

, (3)

Где и — диэлектрическая проницаемость полупроводника и вакуума, — площадь P — n-Перехода. Ширина перехода Определяется соотношением

,

Где — равновесная ширина перехода (при ), — контактная разность потенциалов. Показатель степени корня зависит от распределения примеси в ОПЗ. Для ступенчатого перехода , для линейного .

Таким образом, зависимость барьерной емкости от напряжения на P — N-Переходе определяется соотношением

, (4)

Где — равновесное значение емкости (при ).

Диффузионная емкость диода складывается из диффузионных емкостей базы и эмиттера:

, (5)

Где

, ,

и — абсолютные значения зарядов избыточных носителей (электронов и дырок), накопленных в базе и эмиттере. Заряды и пропорциональны неравновесным концентрациям неосновных носителей в базе и эмиттере соответственно. Обычно эмиттер диода легируется значительно сильнее, чем база. При этом , и

. (5а)

При низком уровне инжекции диффузионная емкость базы определяется соотношениями

(6а)

Или

, (6б)

Где — время жизни неосновных носителей заряда в базе, — среднее время пролета неосновных носителей через базу, — коэффициент диффузии неосновных носителей в базе, — диффузионная длина неосновных носителей в базе,

—

Дифференциальное сопротивление P — N-перехода. Из (1) следует, что

.

Отметим, что . Поэтому неравенства и в соотношениях (6а, б) эквивалентны неравенствам и соответственно.

Процесcы накопления и рассасывания избыточных носителей заряда в базе моделируются диффузионной емкостью лишь при достаточно малой скорости изменения их заряда, когда распределение избыточных носителей в базе близко к стационарному. Поэтому эквивалентная схема диода на рис.1 является приближенной. Более точное описание процессов переключения диода требует решения нестационарного уравнения непрерывности с использованием соответствующих граничных и начальных условий.

Пусть диод переключается ступенчатым перепадом напряжения, поступающим от генератора э. д.с. с выходным сопротивлением (рис.2). Для простоты положим, что выходное сопротивление генератора много больше сопротивления базы диода

, (7)

А э. д.с. и значительно превышают напряжение на открытом Р — П-переходе:

при . (8)

Общая картина переходных процессов при переключении диода показана на рис.3. Процессы включения (перехода из закрытого в открытое состояние) диода и процесс его выключения (перехода из закрытого в открытое состояние) сопровождаются различными физическими эффектами.