Schakelgedrag van

halfgeleiderdioden

Inditartikelwordtaandachtbesteedaanhetschakelgedragvanhalfgeleiderdioden.

Alhoewelmenhetinhetalgemeenweleensisoverdeaardvanhetverschijnsel,lopen de wijzen waarop deverschillendefabrikantenhetimpuls-schakelgedragvanhun diodenmetenenspecificerennogalwatuiteen.Elkgespecificeerd impulsschakelge-drag, hetzijin voorwaartsofin tegenwaartsrichting, waarbijgeenbeschrijvingvan degebruiktemeetschakelingwordtverstrekt, isinfeitewaardeloos. Hetmetenvan schakeltijdenvannanosecondenvergtdanookverfijndetechniekenomervantezijn verzekerd,datdewareaardvandediode-schakeltijdnietdoorandereindemeetscha­

kelingoptredendeimpulsverschijnselen wordtvertekend.Inditartikelwordthetge­

drag geanalyseerd van dioden in zowel voor-als tegenwaartsrichting.

Dehierbijoptredende sprongverschijn-selen worden in het kortgeanalyseerd en de factoren diedeamplitudeende duur van elk sprongverschijnsel beïn­

vloedenworden verklaard.

constantestabiele waarde. Bijmiddel­

grotestromenkanhetsprongverschijn­

sel oscillerende verschijnselen verto­

nen. Infig. 1 zijnenkeletypische span-ninggolfvormen geschetst. Bij het me­

tenvandergelijkespanninggolfvormen dient men zeer zorgvuldig te werk te gaandaarzelfskleineparasitaire zelfin-ductiesin de meetschakelinginhetge­

valvaneenscherpestroomimpulsaleen hoge spanningspiek totgevolgkunnen hebben. Uit metingen isgebleken,dat amplitude enduurvande voorwaarts-spanningsprong aanzienlijk kunnen worden verkleind door, alvorens de stroomimpulsdoorde diode testuren, een geringe voorinstelstroom in voor-waartsrichtingdoordediodetesturen.

Omeenoptimaalfunctionerenvaneen diode mogelijk te maken dienen de aansluitingen metderestvan de scha­

kelingzo kort mogelijk te worden ge­

houden.

tespanningoverdediode valt. Ditwil zeggen dat de impedantie in voor-waartsrichting betrekkelijk laag is. In de voorwaartsrichting (fig. 3) zal de

w

Voorwaarts-spanningsprong

Wanneer een diode vanuit een nul-toestand naar voorwaartsgeleiding wordt geschakeld, treedt een sprong­

verschijnselopdatechteropgrondvan degewoonlijkkorteduur,bijdemeeste diodenaanzienlijkkorterdande tegen-waarts-hersteltijd, weinig aandacht krijgt.Metdeontwikkelingvannanose­

conde schakeldiodenisdit verschijnsel echter steeds belangrijker geworden omdatdevoorwaarts-hersteltijdvanzes tottienns indit gevallangerisdande tegenwaarts-hersteltijd in de snelste diodenvoorcomputertoepassing.

In feite bestaat de voorwaarts-span-ningsprong uit twee componenten,de junctie-spanningsprong en de diode-weerstandsprong. De junctie-span­

ningsprongbezitde eigenschapomtoe te nemenmetde tijd. Deohmseweer­

stand daarentegen vertoontde neiging om metde tijdafte nemen.Hettotale sprongverschijnsel is een combinatie van deze beide. In het geval van zeer grotevoorwaartsstromenoverheerstde daling vandeohmse weerstand. Deze gedraagtzichingrotelijnenalseen RL-netwerk waarbij de spanningover de diode snel tot een hoge piekwaarde aangroeit om daarna geleidelijk af te nemen tot de normale voorwaarts-spanningsval overdediode.

Bij kleine stroomimpulsen overheerst de junctie-spanningsprongengedraagt de diode zich als een RC-netwerk waaroverdespanningaangroeittoteen

Ij \Ri

Fig.3.Diodein voorwaartsrichting.

stroomduswordenbepaalddoorde se-rieweerstandRL. Uitfig.2blijktverder dat de tegenwaartsimpedantie van de diodezeer hoogis. Deze toestand van hoge impedantietreedt echterniet on-middellijk nadat de diode in tegen­

waartsrichtingwordtgeschakeldop. In fig. 4 is hetdoorsnee-verloopvan het daarbij optredende herstel geschetst.

Tweefactorenzijndeoorzaakvandeze vertragingin hetoptredenvandehoge tegenwaarts impedantie, nl. de opslag van minderheids ladingsdragers en de junctiecapaciteit. In eerste benadering kanhierbijhetvlakkelineairegedeelte worden beschouwd,datisveroorzaakt doordeopslagvan minderheidsladings-dragers. Hetgeleidelijkafnemendege­

deelte wordt veroorzaakt door de junctie-capaciteit. Schakelt men de junctieinvoorwaartsconditiedanwordt aan weerszijden van de junctie een overmaat aan minderheidsladingsdra-gers opgebouwd. In de meestedioden isofdeP-laagofdeN-laagzwaarderge­

doteerd dandeanderendienovereen­

komstigzullen de minderheidsladings-dragers uit gaten of uit elektronen bestaan.Bijdehiergevoerdebeschou­

wingwordtaangenomen datde P-laag zwaarder gedoteerd is dande N-laag;

derhalve zal de overmaat aan minder-heidsladingsdragers uit gaten bestaan.

Tegenwaarts-spanningsprong

Desprongverschijnselendiegewoonlijk de'meeste belangstelling hebben, zijn die,welkeoptredenwanneereendiode vanuitvoorwaartsgeleidingnaar tegen-waartsgeleiding wordt geschakeld. Uit debekendeV/I-krommenvaneen

half-t

Fig.2. V/Ikrommevaneen

halfgeleiderdio-de.

geleiderdiode (fig. 2) blijkt, dat in de voorwaartsrichtingeenvrijwel

constan-Fig. 1. Optre­

dende span-

ningsgolfvor-'r

men.

Vf Vf

Ir a)hogevoorwaarts■

stroom b)middelgrote

stromen

c)lage^

voorwaarts-room Fig.4. Optredendegolfvormenbijfig.3.

RADIOELECTRONICA1974No.23 785

•Pn nsec

Fig. 5. Concentratie van ladingsdragers.

I

berekend

I ï—---IFr50mAexperimenteel

l lps10mAexperimenteel

I 6--- Ir*5mAexperimenteel

owmulun

dichtheid berekening

trr*5x10-9xtn'~

•Pn

«-*■—* 13SX25Z !

^{Fig. 7.} HersteltijdalsfunctievandeIF/IR-verhouding.

■

DeconcentratievangatenindeN-laag in de onmiddellijke nabijheid van de junctiekanworden beschrevenmet:

P.-o =P„.e^KT

Uitde definitie voorde overmaataan concentratievolgt nudat:

“ ^x=0

De overmaat aan concentratie is der­

halveeenfunctievandespanningover dejunctievandediode.Bij voorwaarts-voorinstelling geldt dat eqV/KT veel groter is dan ,,1” omdat q/KTbij ka­

mertemperatuurongeveergelijkisaan 40.Neemtnudespanningoverdediode tot nul af,danwordtdeovermaataan ladingsdragers van de junctie wegge­

drukt. (fig.5).

Theoretisch houdt in dit diagram de opslagvertragingvangatenop hettijd­

stipAop.Detijdsduurhiervanisonge­

veergelijk aandievanhet vlakkedeel van destroom-hersteltijd. Opditpunt zou,alsergeenjunctie-capaciteitaan­

wezigwas,destroomvrijwelonmiddel­

lijkafnemen toteenwaardegelijk aan die van de tegenwaarts (lek-)stroom.

Dejunctie-capaciteitwerkteenderge­

lijkeplotselingeveranderingechter te­

gen.

tijdconstante van de tegenspanning over de diode en daarmee de afname vandetegenwaartsstroomtotdewaar­

devan deverzadigingsstroom Is.

Additionelefactoren diede hersteltijd beïnvloeden

Meerderefactorenbeïnvloedendeam­

plitude en duur van de totale tegen-waarts-hersteltijd. De amplitude van het sprongverschijnsel wordt in eerste instantie bepaald door de schakeling waarin de diode wordt toegepast.

Doorgaans wordt deze amplitude be­

paald doorde tegenspanning, gedeeld doordebegrenzingsweerstand:

Er/Rl.

Deinitiëletegenwaarts-impedantievan eendiodemoethierbij teverwaarlozen klein zijn t.o.v. RL. Deduurvan een impulshangtsamenmetde voorwaarts-stroom (amplitude en tijdsduur), de tegenwaartsstroom, de junctie-capaci­

teiten deserieweerstand RL. Deduur vanhetsprongverschijnselisvoortsook nogtemperatuurafhankelijk.

junctie en met een diëlektrische con­

stantegelijk aan dievanhet halfgelei-dermateriaal.Verlaagt men deaange­

legde spanning, dan breidt de uitput-tingslaag zich uit. Fysisch komt dit overeen methetuitelkaartrekkenvan decondensatorplaten.

Aangetoond kanworden, dat hetver­

bandtussendejunctie-capaciteitende junctie-spanning niet-lineair is. De junctie-capaciteit neemt toe met de voorwaartsspanning en neemt afmet toenemendetegenspanning.Decapaci­

teitwordtomschrevendoor:

-Po=Pn(eqV/KT—1) P_overmaat

C= K

(-V -w»

waarin:

K =eenconstante,afhankelijkvande doteringvande diode

V =deaangelegdespanning if/Q= het ingebouwde potentiaalver­

schil

n = een door de dotering bepaalde, constante

Doorgaansisngelijkaan1/2of1/3,af­

hankelijk van het type junctie. Voor een gediffundeerde junctie is n door­

gaansgelijk aan 1/3terwijleenabrupt verlopende junctie een waarde gelijk aan 1/2 heeft. In fig. 6 is de junctie-capaciteit als functie van de spanning uigezet. Zoals hiervoor reeds werd uiteengezet vindt het geleidelijk afne­

mendegedeelte vandeherstelfazezijn oorzaakindezejunctie-capaciteit.De­

zecapaciteitbepaaltmetdeserieweer­

stand van de schakeling de effectieve

Benaderingvandehersteltijd

Ineersteinstantiekanmendeverhou­

ding van de voorwaartsstroom tot de tegenwaartsstroom - IF/IR -alsmaat­

stafvoordehersteltijdhanteren.Infig.

7 is detegenwaarts-hersteltijd uitgezet tegen de IF/IR-verhouding voor ver­

schillende voorwaartsstromen. Hieruit blijkt datde tegenwaarts-hersteltijdbij gelijkblijvende waardevoorIF/IRrela­

tief constant is. Een grotere voor­

waartsstroomgeeftbij eenzelfdewaar­

de voor IF/IR een ietslangere herstel­

tijd.Voordehersteltijdkunnentalvan wiskundige vergelijkingen worden af­

geleid die allemaal één ding gemeen­

schappelijk hebben; ze bevatten een aantal onbekenden die niet zonder meer te geven zijn. Metingen hebben aangetoond dat de volgende vergelij-Junctie-capaciteit

Een spanning, aangelegd over de junctie van twee halfgeleidermateria-len,gaataltijdgepaard metde aanwe­

zigheid van een ruimtelading aan weerszijdenvandejunctie.Wordtdeze spanningindevoorwaartsrichtingver­

hoogd,danneemtdeuitputtingslaagaf.

Aan de N-zijde hopenzichelektronen op, aandeP-zijdegaten.Kleinespan­

ningsveranderingen hebben zodanige ladingsveranderingentotgevolgdatde werkingvanhetgeheeJdoetdenkenaan eencondensatormeteendiametertus­

sen de platen gelijk aan die van de

-V •V

Fig. 6. Junctie-capaciteitalsfunctie vande junctiespanning.

786 RADIOELECTRONICA1974No.23

middelsnelledioden langzamedioden snelledioden

king over een tamelijk breed gebied vaakgeschikteresultatenvoorhetont­

werpvan schakelingenzalopleveren:

Ir Ir

Fig. UI. Ver­

schillendeher­

steltijden(h).

I I

trr = K. In I

Ir I

junctie | n

Vooreenbepaaldediode kandewaar­

devan K wordenbepaald uit:

trr

I

Ik voorspellen vande tegenwaartsherstel-tijd is, datmendeindediode opgesla-gen lading bepaalt. Deopgeslagen la­

dingmoetgelijkzijnaandeafgevoerde lading. Bij voorwaartsgeleidingvande diodewordteenbepaalde hoeveelheid ladingopgeslagen,schakeltmendedio­

de nu plotselingintegenwaartsrichting danwordterladingafgevoerd.Dehoe­

veelheidafgevoerdeladingwordtgege­

vendoor:

K

=-{Hr}

ln impulsgenerator oscilloscoop

&

Dewaardevantrrisdegespecificeerde hersteltijd. In technische publicaties wordtdevoorde hersteltijdgehanteer­

de meetmethode gewoonlijkomschre­

ven.Hieruitishetdanmogelijkdever­

houding IF/IR te bepalen dievoor het meten van de gespecificeerde herstel­

tijdwerd gebruikt. Isde waardevan K eenmaalbepaald dankunnendewaar­

den van voorwaartssiroom (IF) en te-genwaartsstroom (IK) zoals dieineen bepaalde schakeling optreden, ter be­

palingvandehersteltijdindevoorgaan­

de vergelijkingwordengesubstitueerd.

Hierbij dientmen te bedenkendatbo­

venstaande vergelijking in geen enkel opzicht theoretisch isgefundeerd. Wel vormt deze methode een eenvoudig hulpmiddelom vooreengegevenscha­

kelingtoteeneerstebenaderingvande teverwachtenhersteltijdtekomen. De hersteltijd hangt van verschillende an­

dere factoren af en deze werkwijze is dan ook slechts eengrove benadering om de diode-schakeltijd te bepalen.

Voor tegenwaartsstromen kleiner dan 5 mA zijn de uitkomsten van deze vergelijkingwataandehogekant.Voor voorwaartsstromen groter dan 16 mA zullende berekendeuitkomsten ietste laagzijn. In de meeste gevallenechter kan een nauwkeurigheid van + 25%

worden verkregen. Voor minimale schakeltijden dient de IF/IR-verhou-dingzokleinmogelijktewordengehou­

den. De hersteltijd in een bepaalde schakeling kan tot op zekere hoogte

^tf<=i

_{cvoorinstelling}

Fig.l).Meelseltakeliiigvoordeopgeslagenla­

ding.

met behulp van dezeverhoudingwor­

den beheerst. Is de verhouding zeer groot,danzullenzelfsdesnelste nano-seconde-diodennog 10tot20xlangere hersteltijden teziengeven.

t_i

ƒ

O = ^{i . dt}

waarin:

i = de impuls-amplitudevande tegen-waartsstroom

t, = deopslagtijd vande minderheids-ladingsdragers

Is Q bekend, dan kan t, worden be­

rekend uit:

Hersteltijdalsfunctievantemperatuur Dejuistewijzewaaropdetemperatuur de hersteltijdbeïnvloedtisnognietge­

heel en al verklaard. Toenamen van 1%/°Czijn zekermogelijk. Deherstel­

tijd is recht evenredig met de levens­

duurvande ladingsdragersindediode en deze levensduurneemt toe met de temperatuur. Naar alle waarschijnlijk­

heid draagt deze langere levensduur van deladingsdragers hetmeestbijtot langere hersteltijden bij hogere tem­

peratuur. Andere factoren die tot de temperatuurafhankelijkheid van de schakeltijd van een diode kunnen bij­

dragen zijn de junctie-capaciteit, die eveneenstoeneemtmetdëtemperatuur en de tegenwaartsweerstand die af­

neemtmetdetemperatuur.Defluctua­

ties in deze waarden liggen inde orde van groottevan 1%/°C.

;

ti = Q_«R

Deze t, isuitgezetin fig.8.

Metingvandeopgeslagenlading Voor hetmetenvan deopgeslagenla­

ding kan men zich bedienen van een schakeling alsinfig. 9. Demetingvan t, levert hierbij een goede benadering voordehersteltijdvandediode,voor­

opgesteld dat detijd dienodigisvoor de recombinatievande minderheidsla-dingsdragers,veelgroterisdande tijd­

constantediedoordeeffectievecapaci­

teitvandejunctieendeserieweerstand vandemeetschakelingwordtgevormd.

In sommige gevallenzal dezebenade­

ringzekeropgaan,maarbijdiodenmet eengrotejunctie-capaciteiteneenklei­

ne ladingsopslag kunnen afwijkingen tot 50% optreden. Deze benadering gaatop voorzowelzeersnellealsvoor zeer langzame schakeldioden, maar nietvoordediodendaartussenin.Zoals fig. 10laatzienistleengoedemaatstaf voor de hersteltijd, vooropgesteld dat detijdnodigomdejunctie-capaciteitin de tegenwaartsrichtingop teladen, te verwaarlozen kleinis tenopzichtevan die van de opslagtijd van de minder-heidsladingsdragers. Aan deze voor­

waarde kan worden voldaan als de tegenwaarts-hersteltijdcircaééntiende van de levensduurvan de ladingsdra­

gersbedraagt.

Ladingsopslag

Een alternatieve methode voor het

'?n

-V Fig. <S\ Diode in voor­

waartsgeleiding.

I

_{(Vervolgblz. 793)}

RADIOELECTRON1CA1974No.23 787

R. W. Budding

In document electronïca Vervormingsarme versterker Gitaarvervormers Meetinstrumenten voor logica schakelingen Lopende golfbuizen Viervoudige tijdcircuits (pagina 47-50)