Мальчик 10 лет, идущий по земле, производит давление на нее в размере примерно 15 кПа. А огромный и мощный гусеничный трактор, весом в сотни раз больше мальчика, производит давление на землю около 50 Кпа, то есть, всего лишь в три раза больше. Это достигается за счет применения гусениц и увеличения площади соприкосновения трактора с Землей. Это пример уменьшения давления. Твердую металлическую проволоку часто очень трудно согнуть, не то что сломать, и она может выдержать приличные нагрузки, но при этом, применив специальные ножницы по металлу, почти всякому по силам разрезать проволоку на части. В данной ситуации при небольшой, казалось бы, силе давления достигается ощутимый эффект благодаря уменьшению площади соприкасающихся поверхностей. Острые грани ножниц во много раз усиливают наши пальцы и разрезать крепкую проволоку почти так же легко, как хлеб или колбасу. Это пример увеличения давления.
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+dQбdt+CбdUp−ndt ,
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 1,2Uдпр, 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–Uдпрrдпр+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.
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+dQбdt+CбdUp−ndt ,
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 1,2Uдпр, 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–Uдпрrдпр+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.