Курсовая работа: Конструкция p-i-n диода

1.1.3 Переходные процессы при переключении от прямого смещения к обратному

Процесс рассасывания накопленных носителей заряда при переключении диода в состояние с обратным смещением можно также характеризовать тремя основными фазами. Первая фаза - фаза квази-нейтралъности, в течение которой происходит обеднение носителями областей базы, прилегающих к границам p-i - и i-p- переходов. Вторая фаза - развитие областей объемного заряда, возникающих у границ базы и разрастающихся к ее центру. В этих областях ток ограничен объемным зарядом. Третья фаза - фаза переноса, в которой после смыкания областей объемного заряда из базы вытягиваются неравновесные электроны и дырки.

Процесс восстановления обратного сопротивления p-i-n- диода с учетом зарядов контактных областей может быть разделен на четыре фазы: фазу восстановления зарядов контактных областей, фазу квазинейтральности процесса восстановления заряда базы, фазу развития областей объемного заряда и фазу переноса.

Фаза восстановления зарядов контактных областей. В этот период ток поддерживается зарядом 2*Q_C . Первыми от неосновных носителей заряда освобождаются слои, прилегающие к границам p-i-и i-n- переходов. Этот процесс подобен процессу в диодах с резким восстановлением [9]. Так как граничные концентрации носителей заряда в базе диода и контактных областях связаны между собой распределением Больцмана, то любое уменьшение концентрации неосновных носителей заряда в контактных областях сопровождается соответствующим уменьшением концентрации электронов и дырок в базе диода. Следовательно, в этот период времени наряду с зарядом контактных областей восстанавливается часть заряда i-области. Однако эта часть мала по сравнению с Q_{i 0} . Поэтому можно считать, что в течение этой фазы заряд Q_{i 0} остается неизменным.

При расчете длительности фазы экспоненциальное распределение электронов и дырок в контактных областях аппроксимируется треугольным распределением (pиc. 3) с тем же значением Q_С0 и с той же концентрацией носителей заряда на границах. Длительность фазы определяется временем t₁ , за которое концентрация неосновных носителей заряда на границах переходов (x = ±w/2) становится равной нулю. Градиенты концентрации носителей заряда в момент t = t₁ определяются токами I_np , и I_обр . За время t₁ восстанавливается заряд 2*DQ_{C 1} , который легко получить из геометрических расчетов (pиc. 3). Приравнивая 2*DQ_{C 1} к I_обр *t₁ можно получить трансцендентное уравнение для определения t₁ :

, (20)

где

,

Фаза квазинейтральности процесса восстановления заряда базы начинается с момента t₁ и длится до момента возникновения областей объемного заряда t₂ . В этом период времени градиенты концентрации носителей заряда в базе и на границах переходов равны:

, (21)

где I_C (t) - остаточный ток контактных областей.

Остаточный ток замедляет процесс восстановления заряда базы. При пренебрежении I_C (t) время переключения и напряжение на диоде изменяется не более чем на 10 %. Поэтому для практических оценок можно использовать упрощенную модель переходного процесса, не учитывающую этот остаточный ток.

Распределение носителей заряда в базе p-i-n- диода в момент окончания фазы квазинейтральности может быть аппроксимирована либо трапецеидальным распределением (рис. 4,а), либо треугольным (рис. 4,6).

Рис.3. Распределение носителей и заряда в контактной области во время восстановления зарядов этой области.

Рис. 4. Восстановление заряда i-области при трапецеидальном (а) и треугольном (б) распределении носителей заряда.

Трапецеидальное распределение реализуется при условии

, (22)

где l - длина верхнего основания трапеции.

В этом случае из геометрических расчетов нетрудно определить момент окончания фазы t₂ , для трапецеидального распределения:

(23)

При l<0 реализуется аппроксимация треугольным распределением и:

(24)

Фаза развития областей объемного заряда. При t >t₂ условие квазинейтральности в базе не может выполняться для всей i- области. У p-i- и i-n- переходов образуется области объемного заряда, которые разрастаются в направлении к середине i -области. При этом трапецеидальное распределение переходит в треугольное (рис. 4а) в момент

(25)

Ширину областей объемного заряда характеризуют переменной координатой S(t) , которую также можно определить из геометрических расчетов (рис. 5,а,б):

дня трапецеидального распределения