3. Переходные процессы в диодном ключе

В полупроводниковом диоде ток, в основном, обусловлен переносом дырок через p-n переход. Установлению стационарного режима протекания тока при подаче положительного анодного напряжения предшествует процесс накопления дырок в n-слое, т.е. неосновных носителей заряда для этого слоя. Данный процесс происходит в течение определенного времени. При снятии анодного напряжения имеет место процесс постепенного рассасывания неосновных носителей заряда в n-слое, которые находились в этом слое при стационарном режиме. Кроме того, на длительность процесса перехода из закрытого состояния в открытое и наоборот оказывает влияние перезаряд барьерной емкости p-n перехода. Таким образом, смена состояний диода, а, следовательно, и диодного ключа, сопровождается переходным процессом.

В разделе 4.4. будут достаточно подробно рассмотрены переходные процессы в ключе на биполярном транзисторе, которые во многом аналогичны процессам в диодном ключе. Поэтому здесь имеет смысл ограничиться качественным рассмотрением процессов в диодном ключе при подаче на его вход прямоугольного импульса положительной полярности. Рассмотрение иллюстрируется временными диаграммами, приведенными на рис. 4.5. Считается, что подаваемый на вход ключа, а, следовательно, на анод диода импульс имеет бесконечно малую длительность фронтов (см. рис. 4.5.а).

С момента t₁ подачи анодного напряжения происходит экспоненциальное увеличение во времени анодного тока (см. рис. 4.5.б) до тех пор, пока объем заряда неосновных носителей в n-слое диода не достигнет величины

Q_g = I_a τ_g,

где I_a – величина тока стационарного режима, соответствующая подаваемому напряжению на вольт-амперной характеристике диода, τ_g – время жизни неосновных носителей заряда, т.е. время, в течение которого их концентрация за счет рекомбинации с электронами n-слоя изменяется в е раз. Таким образом, только в интервале времени t₂ – t₁ происходит установление стационарного режима работы диода.

Рисунок 4.5. Временные диаграммы, иллюстрирующие

работу диода в составе ключа:

а – импульс анодного напряжения;

б – ток диода

Непосредственно после снятия анодного напряжения (момента времени t₃) в n-слое диода остается объемный заряд дырок, накопленный при стационарном режиме. Следствием его рассасывания является ток I_отр, протекающий через диод в обратном направлении. В течение интервала времени t₄ – t₃ происходит рассасывание этих неосновных носителей заряда, сопровождающееся экспоненциальным уменьшением тока, что показано на рис. 4.5.б.

При последовательном включении диода и нагрузки временные зависимости напряжения, подводимого к нагрузке, и тока диода аналогичны. Следовательно, как видно из рис. 4.5, импульс выходного напряжения отличен от импульса анодного напряжения, т.е. диодный ключ искажает форму напряжения. Очевидно, степень этого искажения увеличивается с уменьшением длительности поступающего на вход ключа импульса напряжения. Причиной искажений является инерционность полупроводникового диода.