JONCTIUNEA p-n IN REGIM DINAMIC

Jonctiunea p-n in regim dinamic

Regimul dinamic reprezinta functionarea structurii in cazul aplicarii unor semnale variabile in timp. Metoda cea mai folosita consta in stabilirea unor circuite electronice echivalente cu care sa se inlocuiasca jonctiunea in schema unde functioneaza. Circuitul echivalent nu este unic, el depinzand, de regula, de specificul semnalului variabil aplicat.

1. Regimul cvasistationar al jonctiunii

Functionarea jonctiunii in regim stationar este descrisa de ecuatia lui Shockley sau de caracteristica statica. Este foarte normal sa incercam a descrie comportarea in regim variabil pe baza functionarii in regim static. Daca examinam procesele ce au loc in jonctiune la trecerea dintr-o stare stationara in alta, rezulta ca o asemenea tratare (pe baza regimurilor stationare) nu poate fi acceptata decat la frecvente joase. Intr-adevar, o stare stationara a jonctiunii este caracterizata de anumite dimensiuni ale regiunii de tranzitie - adica de o anumita sarcina existenta in bariera si o anumita distributie a purtatorilor minoritari. Cand se trece la o alta stare stationara acestea se modifica. Ambele procese sunt legate de o variatie de sarcina electrica si cer un anumit timp.

Fig. 15.a

Daca timpul necesar jonctiunii pentru a trece dintr-o stare stationara in alta este mult mai mic decat perioada semnalului, putem considera ca in fiecare moment jonctiunea se afla intr-o stare stationara. Un astfel de regim se numeste regim cvasistationar, iar frecventa maxima pana la care regimul poate fi considerat cvasistationar difera de la un dispozitiv la altul. Deci pentru curent continuu si frecvente joase se pot aplica modelele anterioare (regimul de curent continuu - de polarizare - se mai numeste de semnal mare).

Semnalul aplicat unui dispozitiv este considerat mic atunci cand caracteristicile statice ale dispozitivului pot fi aproximate liniar pentru intreaga excursie a punctului de functionare pe durata unei perioade. In cazul jonctiunii p-n conditia de semnal mic este deosebit de restrictiva, caracteristica statica exponentiala putand fi considerata liniara numai pentru variatii foarte mici de tensiune: UA << KT/q0.025V.

In regim cvasistationar de semnal mic jonctiunea este echivalenta cu o rezistenta r_i = R_i. In c.c. se folosesc notatii cu litere mari, iar in c.a. cu litere mici.

r_i = 1 / (dIa / dUa) (KT / q)*(1 / Ia), numita rezistenta interna. Ia reprezinta valoarea curentului in punctul static de functionare (PSF) la polarizare directa.

In cazul Ia = -Is, la polarizare inversa, rezistenta interna teoretic este infinita, dar in practica are o valoare de aproximativ 1 M la Si.

2. Capacitatea de bariera

Consideram o jonctiune abrupta ideala, cu o tensiune aplicata Ua, la care corespunde linia continua de pe figura pentru distributia de sarcina spatiala in regiunea de tranzitie in ipoteza golirii complete de purtatori.

, C_b- capacitatea de bariera.

Regiunea de sarcina spatiala se micsoreaza cand trecem de la Ua la Ua+dUa (respectiv curba punctata). Trecerea de la o stare la alta necesita deplasarea unui numar de purtatori majoritari din regiunile neutre in zonele hasurate pentru neutralizarea sarcinilor, impuritatilor ionizate. Sarcina dQb a acestor purtatori este aria hasurata. Daca trecerea de la Ua la Ua+dUa se face intr-un interval de timp dt, atunci curentul necesar pentru modificarea sarcinii stocate in regiunile de tranzitie va fi:

i_b = dQ_b / dt = (dQ_b / dUa)*(dUa / dt); unde C_b= dQ_b / dUa; Ua constanta.

Modelam acest proces cu o capacitate C_b pusa in paralel cu Ri si numita capacitate de bariera.

(pentru jonctiunea abrupta ideala)

C_bo - reprezinta capacitatea de bariera pentru Ua=0; C_bo=1.10pF

In general .

Aceasta relatie depinde de legea de variatie a concentratiei impuritatilor din regiunea de tranzitie.

Capacitatea de difuzie

Trecerea de la starea Ua la Ua+dUa necesita o crestere a sarcinii de purtatori minoritari in exces in regiunile neutre.

Purtatorii sunt injectati prin regiunea de tranzitie si apoi inainteaza in adancul regiunilor neutre prin difuzie.

Curentii corespunzatori variatiei sarcinilor stocate in cele doua regiuni neutre se aduna.

Daca timpul in care a avut loc variatia de tensiune este dt, suma curentilor va fi:

i_d=dQ_d/dt=(dQ_d/dUa)*(dUa/dt) ; C_d=dQ_d/dUa ; dUa=ct ; C_d- capacitatea de difuzie.

C_d- la polarizari directe atinge marimi de ordinul nF (10².10⁴pF). C_d ~ Ia.

C_do- capacitatea de difuzie pentru Ua=0.

Exista o deosebire fizica importanta intre modurile in care se incarca cele doua capacitati. Cea de difuzie C_d se incarca prin difuzia minoritarilor, deci este un proces lent. Din aceasta cauza, C_d scade cu frecventa. Capacitatea de bariera C_b se incarca prin curentul de camp al purtatorilor majoritari; este un proces foarte rapid si nu variaza cu frecventa.

4. Circuite echivalente pentru jonctiune la semnale mici si frecvente inalte

In regim variabil, curentul prin jonctiune e format din trei componente: i_ri, i_Cd, i_Cb (fig. 18)

r_s - este rezistenta electrica a zonelor neutre (~ 100

In functie de polarizare, se poate simplifica modelul :

- la polarizare directa (fig. 19)

se neglijeaza C_b; (C_b<<C_d)

- la polarizarea inversa (fig. 20)

se neglijeaza C_d si r_s

Daca r_i poate fi neglijata (ex.: intr-un circuit oscilant pp. r_i ) atunci ramane    doar -| |- (C_b).