Каковы особенности протекания тока через диод?

Для понимания сути процессов, происходящих в диоде при работе в высокочастотных импульсных цепях рассмотрим прохождение через него прямоугольного сигнала (т. е. сигнала с малой длительностью фронта и среза). При этом диод включается по схеме, приведенной на рис. 3.1-1.

Рис. 3.1-1. Схема включения диода при рассмотрении переходных процессов

В случае, когда входной прямоугольный сигнал является двуполярным, переходные процессы в диоде будут характеризоваться диаграммами, представленными на рис. 3.1-2.

Рис. 3.1-2. Переходные процессы в диоде при прохождении через него двуполярного прямоугольного сигнала

Для анализа приведенных зависимостей можно воспользоваться выражением для тока диода в переходном режиме:

Iд = Qбτб + dQб dt + Cб d Up-n dt,

где:

Qб - объемный заряд неосновных носителей в области базы диода; τб - время жизни неосновных носителей в области базы; Cб - барьерная емкость перехода; Up-n - напряжение на p-n-переходе диода.

Первое слагаемое выражения связано с рекомбинацией неосновных носителей в области базы. Второе слагаемое определяет изменение во времени объемного заряда неосновных носителей в области базы. Третье - обусловлено перезарядом барьерной емкости p-n-перехода при изменении входного сигнала во времени.

Таким образом, основными причинами инерционности заряда являются: эффект накопления избыточного заряда в базовой области прибора и наличие барьерной емкости перехода.

Рассмотрим участок времени [t0; t1], когда входное напряжение скачком увеличивается от - Uвхобр до + Uвхпр.

При увеличении прямого тока сопротивление базы диода уменьшается (эффект модуляции сопротивления области базы). Поскольку скорость накопления избыточного заряда в области базы конечна, то установление прямого сопротивления диода требует некоторого времени. Учитывая, что RН≫ rдпр, можно показать, что ток диода не зависит от его сопротивления. Поэтому эффект модуляции сопротивления базы приводит к появлению резкого выброса напряжения на диоде при его включении.

Перезаряд барьерной емкости диода Cб, наоборот, ведет к замедлению скорости увеличения напряжения на диоде.

Вследствие действия двух противоположных тенденций реальный вид переходного процесса определяется конкретным соотношением параметров диода. При малых уровнях инжекции превалирующими являются процессы, связанные с перезарядом емкости Cб. При больших уровнях инжекции - процессы, связанные с изменением объемного заряда области базы. Поэтому для диодов различных типов переходные процессы при включении могут иметь качественно отличный вид. На приведенной на рис. 3.1-2 диаграмме представлен случай большого уровня инжекции и соответственно малого влияния Cб.

Длительность всплеска напряжения на диоде τу называется временем установления. Рассчитанное для 1,2 Uдпр, оно примерно равно: τу≈2,3tб, а максимальное падение напряжения на диоде:

Uдпрmax ≈φк + Iпр ⋅ rдб,

где:

φк - контактная разность потенциалов, rдб - сопротивление области базы диода.

Интервал времени [t1; t2] характеризует установившийся режим в диодном ключе. В базовой области диода накоплен избыточный заряд неосновных носителей Qб = Iпр ⋅τб. Концентрация избыточных носителей при этом падает по мере удаления от перехода. Прямой ток, протекающий через диод, равен:

Iпр = Uвхпр - Uдпр rдпр + Rн.

В момент времени t2 входное напряжение изменяет свою полярность на обратную. Однако до момента t4 диод будет находиться в проводящем состоянии. До момента t3 через него в обратном направлении будет протекать ток, импульсное значение которого Iобр и соизмеримо с Iпр. Далее, по мере рассасывания объемного заряда неосновных носителей в области базы и разряда барьерной емкости на интервале [t3; t4], обратный ток через диод будет уменьшаться, стремясь к своему установившемуся значению.