Файл: 000810.pdf

Така ж картина спостерігається і в р-області: позитивний заряд притягуючих дірок екранує негативний заряд інжектованих електронів. Тому надмірні дірки і електрони, інжектовані відповідно в n- і в р-області, не створюють в них об'ємних зарядів, які своїм полем могли б перешкоджати руху неосновних носіїв в об'єм напівпровідника, що не компенсується. Переміщення цих носіїв в глиб напівпровідника здійснюється виключно шляхом дифузії, швидкість якої пропорційна градієнту концентрації дірок

dpn / dx у n-області і градієнту концентрації електронів dnp / dx у р- області.

Таким чином, при перемиканні діода в ньому протікають перехідні процеси (накопичення неосновних носіїв при прямому зсуві і розсмоктування їх при зворотному зсуві), які і обмежують його швидкодію. Оскільки ці процеси завершуються в основному житті надмірних неосновних носіїв t той цей час і визначає швидкодію імпульсних діодів.

78

З розглянутої картини виходить, що відносно перемикання діод поводиться як опір R , створений областю об'ємного заряду, і зашунтований ємністю СД, обумовленою накопиченням заряду неосновних носіїв при прямому зсуві і розсмоктуванням його при зворотному зсуві. Цю ємність називають дифузійною ємністю р-n-переходу. При поданні прямого зсуву струм в діоді в початковий момент є в основному струмом заряду ємності СД і за своєю величиною може бути великим. При перемиканні діода в зворотний напрям зворотний струм є в початковий момент в основному струмом розряду ємності Сд і також може бути великим.

Як показує розрахунок, для малого змінного сигналу

струми j і js, які протікають через перехід, практично рівні jp і jps, відповідно

і

З (6.29) – (6.31) витікає, що для зменшення СД і підвищення швидкодії діодів необхідно зменшувати час життя надмірних неосновних носіїв t, легуючи n- і р-області домішкою, що створює ефективні рекомбінаційні центри. Такою домішкою є, зокрема, золото, легування яким дозволяє знизити t до декількох наносекунд.

Частотні властивості р-n-переходу. Крім дифузійної ємності,

електронно-дірковий перехід має ще так звану бар'єрну або зарядну ємність, пов'язану із зміною величини об'ємного заряду р-n-переходу під впливом зовнішньогозсуву.

Підвищення потеаціального бар'єра р-n-переходу при зворотному зсуві відбувається за рахунок розширення шару об'ємного заряду (рис. 6.11, д).

Прямий зсув викликає приток основних носіїв до області об'ємного заряду (рис. 6.11, г), в результаті якого заряди, створені зовнішнім джерелом ЕРС на омічних контактах, переносяться до р-n-переходу і звужують його (на рис. 6.11, г звуження р-n-переходу показано штриховкою).

79

Після встановлення стаціонарного стану практично вся напруга V спадає на р-n-переході, оскільки його опір на багато порядків вищий, ніж опір решти областей напівпровідника.

Таким чином, прикладена до р-n-переходу зовнішня напруга викликає появу в перший момент часу імпульсу струму в зовнішньому колі, що приводить кінець кінцем до збільшення або зменшення об'ємного заряду р-n-переходу. Тому перехід поводиться як ємність. Її називають бар'єрною, або зарядною ємністю, оскільки вона пов'язана із зміною потенціального бар'єра р-n-переходу. При поданні на перехід зворотного зсуву бар'єрна ємність заряджається, при подачі прямого зсуву – розряджається.

З рис. 6.11, г, д видно, що плоский р-n-перехід подібний плоскому конденсатору. Тому величину бар'єрної ємності можна обчислювати за

відстані між обкладками конденсатора. Відмінність від конденсатора

Цими формулами зручно користуватися для малого змінного сигналу, накладеного на постійний зсув V.

Таким чином, діод може бути поданий такою спрощеною еквівалентною схемою: паралельно нелінійному активному опору р-n-

переходу Ra приєднані нелінійна дифузійна Сд і бар'єрна Сб ємності,

послідовно з цим колом приєднаний опір r пасивних областей діода (рис. 6.15). Для з'ясування особливостей роботи діода на високих частотах проаналізуємо детальніше цю схему.

Активний опір р-n-переходу при малому змінному сигналі низької частоти визначається співвідношенням (6.28). При цьому під низькою частотою розуміється така частота сигналу w , для якої період коливань набагато більший часу життя інжектованих носіїв, тобто 1/ w tp. У цьому

випадку за час 1/ w у переході встигають протікати всі перехідні процеси і дифузійна ємність описується співвідношенням (6.31), а бар'єрна – (6.33).

У міру підвищення частоти сигналу w часу 1/ w виявляється більшою мірою недостатньо для завершення перехідних процесів. Це повинно призводити до зменшення числа носіїв, інспектованих в позитивний півперіод сигналу, і тим самим до зменшення дифузійної ємності. Крім того, інжектовані носії не встигають продифундувати в

80

Як бачимо, вони рівні між собою: = .

то активний опір р-n-переходу на високих частотах не залежить від часу життя інжектованих носіїв і зменшується обернено пропорційно:

Аналогічно поводиться і опір дифузійної ємності СД:

(6.41)

На рис. 6.16 схематично подана залежність R а і СД від частоти сигналу, штриховою прямою показана бар'єрна ємність р-n-переходу, не залежна від . З рис. 6.16 видно, що на високих частотах бар'єрна ємність

стає більше дифузійною, унаслідок чого її провідність перевищує

провідність дифузійної ємності і рівну їй активну провідність р-n- переходу.

Зменшення на високих частотах опору р-n-переходу призводить до того, що велика частина напруги, прикладеної до діода, спадає не на переході, а на опорі пасивних областей діода. На частотах, на яких опір р-n-переходу стає набагато меншим r , струм як при прямому, так і при зворотному зсувах визначається вже не ним, а r , внаслідок чого діод втрачає свої властивості, що детектують. За максимальну частоту роботи діода () приймають частоту, при якій величина еквівалентного опору

р-n-переходу (між точками 1 і 2 рис. 6.15) виявляється рівною опору пасивних областей r . Оскільки на високих частотах еквівалентний опір

р-n-переходу визначається бар'єрною ємністю 1/ wCб , то при визначенні граничної частоти необхідно порівнювати r з опором бар'єрної ємності Сб і оцінюватиіз співвідношення

82

З (6.42) витікає, що для збільшення граничної частоти роботи діода необхідно зменшувати. Опір можна зменшувати, покращуючи

якість омічних контактів до n- і р-областей діода і зменшуючи товщину цих областей. Здавалося б, що підвищитиможна також зменшенням

площі S р-n-переходу, оскільки при цьому повинна зменшуватися ємність . Проте у такий спосіб можна досягти підвищення тільки

у точкових діодів. Насправді для плоских переходів , тому

питомий опір напівпровідника; а – радіус півсферичного контакту; S = pa – площа переходу (рис. 6.17). Оскільки то і

. Тому зменшенням S можна досягти підвищення.

До збільшення приводить і зменшення питомого опору r – пасивних областей діода. Дійсно, наприклад, для несиметричного р-n- переходу з високоомною n-областю тому

де – питомий опір n-області. Слід, проте,

пам'ятати, що із збільшенням ступеня легування пробивна напруга р-n-переходу cпадає і врешті-решт ми одержуємо спочатку характеристику оберненого діода (найбільш високочастотного), а при ще

83