Что такое импульсный диод. Импульсные диоды

Диод является одной из разновидностей приборов, сконструированных на полупроводниковой основе. Обладает одним p-n переходом, а также анодным и катодным выводом. В большинстве случаев он предназначен для модуляции, выпрямления, преобразования и иных действий с поступающими электрическими сигналами.

Принцип работы:

1. Электрический ток воздействует на катод, подогреватель начинает накаливаться, а электрод испускать электроны.
2. Между двумя электродами происходит образование электрического поля.
3. Если анод обладает положительным потенциалом , то он начинает притягивать электроны к себе, а возникшее поле является катализатором данного процесса. При этом, происходит образование эмиссионного тока.
4. Между электродами происходит образование пространственного отрицательного заряда, способного помешать движению электронов. Это происходит, если потенциал анода оказывается слишком слабым. В таком случае, частям электронов не удается преодолеть воздействие отрицательного заряда, и они начинают двигаться в обратном направлении, снова возвращаясь к катоду.
5. Все электроны , которые достигли анода и не вернулись к катоду, определяют параметры катодного тока. Поэтому данный показатель напрямую зависит от положительного анодного потенциала.
6. Поток всех электронов , которые смогли попасть на анод, имеет название анодный ток, показатели которого в диоде всегда соответствуют параметрам катодного тока. Иногда оба показателя могут быть нулевыми, это происходит в ситуациях, когда анод обладает отрицательным зарядом. В таком случае, возникшее между электродами поле не ускоряет частицы, а, наоборот, тормозит их и возвращает на катод. Диод в таком случае остается в запертом состоянии, что приводит к размыканию цепи.

Устройство

Ниже приводится подробное описание устройства диода, изучение этих сведений необходимо для дальнейшего понимания принципов действия этих элементов:

1. Корпус представляет собой вакуумный баллон, который может быть изготовлен из стекла, металла или прочных керамических разновидностей материала.
2. Внутри баллона имеется 2 электрода. Первый является накаленным катодом, который предназначен для обеспечения процесса эмиссии электронов. Самый простейший по конструкции катод представляет собой нить с небольшим диаметром, которая накаливается в процессе функционирования, но на сегодняшний день более распространены электроды косвенного накала. Они представляют собой цилиндры, изготовленные из металла, и обладающие особым активным слоем, способным испускать электроны.
3. Внутри катода косвенного накала имеется специфический элемент – проволока, которая накаливается под воздействием электрического тока, она называется подогреватель.
4. Второй электрод является анодом, он необходим для приема электронов, которые были выпущены катодом. Для этого он должен обладать положительным относительно второго электрода потенциалом. В большинстве случаев анод также имеет цилиндрическую форму.
5. Оба электрода вакуумных приборов полностью идентичны эмиттеру и базе полупроводниковой разновидности элементов.
6. Для изготовления диодного кристалла чаще всего используется кремний или германий. Одна из его частей является электропроводимой по p-типу и имеет недостаток электронов, который образован искусственным методом. Противоположная сторона кристалла также имеет проводимость, но n-типа и обладает избытком электронов. Между двумя областями имеется граница, которая и называется p-n переходом.

Такие особенности внутреннего устройства наделяют диоды их главным свойством – возможностью проведения электрического тока только в одном направлении.

Назначение

Ниже приводятся основные области применения диодов, на примере которых становится понятно их основное назначение:

1. Диодные мосты представляют собой 4, 6 или 12 диодов, соединенных между собой, их количество зависит от типа схемы, которая может быть однофазной, трехфазной полумостовой или трехфазной полномостовой. Они выполняют функции выпрямителей, такой вариант чаще всего используется в автомобильных генераторах, поскольку внедрение подобных мостов, а также использование вместе с ними щеточно-коллекторных узлов, позволило в значительной степени сократить размеры данного устройства и увеличить степень его надежности. Если соединение выполнено последовательно и в одну сторону, то это повышает минимальные показатели напряжения, которое потребуется для отпирания всего диодного моста.
2. Диодные детекторы получаются при комбинированном использовании данных приборов с конденсаторами. Это необходимо для того, чтобы было можно выделить модуляцию с низкими частотами из различных модулированных сигналов, в том числе амплитудно-модулированной разновидности радиосигнала. Такие детекторы являются частью конструкции многих бытовых потребителей, например, телевизоров или радиоприемников.
3. Обеспечение защиты потребителей от неверной полярности при включении схемных входов от возникающих перегрузок или ключей от пробоя электродвижущей силой, возникающей при самоиндукции, которая происходит при отключении индуктивной нагрузки. Для обеспечения безопасности схем от возникающих перегрузок, применяется цепочка, состоящая из нескольких диодов, имеющих подключение к питающим шинам в обратном направлении. При этом, вход, которому обеспечивается защита, должен подключаться к середине этой цепочки. Во время обычного функционирования схемы, все диоды находятся в закрытом состоянии, но если ими было зафиксировано, что потенциал входа ушел за допустимые пределы напряжения, происходит активация одного из защитных элементов. Благодаря этому, данный допустимый потенциал получает ограничение в рамках допустимого питающего напряжения в сумме с прямым падением показателей напряжение на защитном приборе.
4. Переключатели , созданные на основе диодов, используются для осуществления коммутации сигналов с высокими частотами. Управление такой системой осуществляется при помощи постоянного электрического тока, разделения высоких частот и подачи управляющего сигнала, которое происходит благодаря индуктивности и конденсаторам.
5. Создание диодной искрозащиты . Используются шунт-диодные барьеры, которые обеспечивают безопасность путем ограничения напряжения в соответствующей электрической цепи. В совокупности с ними применяются токоограничительные резисторы, которые необходимы для ограничения показателей электрического тока, проходящего через сеть, и увеличения степени защиты.

Использование диодов в электронике на сегодняшний день весьма широко, поскольку фактически ни одна современная разновидность электронного оборудования не обходится без этих элементов.

Прямое включение диода

На p-n-переход диода может оказывать воздействие напряжение, подаваемое с внешних источников. Такие показатели, как величина и полярность, будут сказываться на его поведении и проводимом через него электрическом токе.

Ниже подробно рассмотрен вариант, при котором происходит подключение плюса к области p-типа, а отрицательного полюса к области n-типа. В этом случае произойдет прямое включение:

1. Под воздействием напряжения от внешнего источника, в p-n-переходе сформируется электрическое поле, при этом его направление будет противоположным относительно внутреннего диффузионного поля.
2. Напряжение поля значительно снизится, что вызовет резкое сужение запирающего слоя.
3. Под воздействием этих процессов значительное количество электронов обретет возможность свободно переходить из p-области в n-область, а также в обратном направлении.
4. Показатели тока дрейфа во время этого процесса остаются прежними, поскольку они напрямую зависят только от числа неосновных заряженных носителей, находящихся в области p-n-перехода.
5. Электроны обладают повышенным уровнем диффузии, что приводит к инжекции неосновных носителей. Иными словами, в n-области произойдет повышение количества дырок, а в p-области будет зафиксирована повышенная концентрация электронов.
6. Отсутствие равновесия и повышенное число неосновных носителей заставляет их уходить вглубь полупроводника и смешиваться с его структурой, что в итоге приводит к разрушению его свойств электронейтральности.
7. Полупроводник при этом способен восстановить свое нейтральное состояние, это происходит благодаря получению зарядов от подключенного внешнего источника, что способствует появлению прямого тока во внешней электрической цепи.

Обратное включение диода

Теперь будет рассмотрен другой способ включения, во время которого изменяется полярность внешнего источника, от которого происходит передача напряжения:

1. Главное отличие от прямого включения заключается в том , что создаваемое электрическое поле будет обладать направлением, полностью совпадающим с направлением внутреннего диффузионного поля. Соответственно, запирающий слой будет уже не сужаться, а, наоборот, расширяться.
2. Поле, находящееся в p-n-переходе , будет оказывать ускоряющий эффект на целый ряд неосновных носителей заряда, по этой причине, показатели дрейфового тока останутся без изменений. Он будет определять параметры результирующего тока, который проходит через p-n-переход.
3. По мере роста обратного напряжения , электрический ток, протекающий через переход, будет стремиться достичь максимальных показателей. Он имеет специальное название – ток насыщения.
4. В соответствии с экспоненциальным законом , с постепенным увеличением температуры будут увеличиваться и показатели тока насыщения.

Прямое и обратное напряжение

Напряжение, которое оказывает воздействие на диод, разделяют по двум критериям:

1. Прямое напряжение – это то, при котором происходит открытие диода и начинается прохождение через него прямого тока, при этом показатели сопротивления прибора являются крайне низкими.
2. Обратное напряжение – это то, которое обладает обратной полярностью и обеспечивает закрытие диода с прохождением через него обратного тока. Показатели сопротивления прибора при этом начинают резко и значительно расти.

Сопротивление p-n-перехода является постоянно меняющимся показателем, в первую очередь на него оказывает влияние прямое напряжение, подающееся непосредственно на диод. Если напряжение увеличивается, то показатели сопротивления перехода будут пропорционально уменьшаться.

Это приводит к росту параметров прямого тока, проходящего через диод. Когда данный прибор закрыт, то на него воздействует фактически все напряжение, по этой причине показатели проходящего через диод обратного тока являются незначительными, а сопротивление перехода при этом достигает пиковых параметров.

Работа диода и его вольт-амперная характеристика

Под вольт-амперной характеристикой данных приборов понимается кривая линия, которая показывает то, в какой зависимости находится электрический ток, протекающий через p-n-переход, от объемов и полярности напряжения, воздействующего на него.

Подобный график можно описать следующим образом:

1. Ось, расположенная по вертикали: верхняя область соответствует значениям прямого тока, нижняя область параметрам обратного тока.
2. Ось, расположенная по горизонтали: область, находящаяся справа, предназначена для значений прямого напряжения; область слева для параметров обратного напряжения.
3. Прямая ветвь вольт-амперной характеристики отражает пропускной электрический ток через диод. Она направлена вверх и проходит в непосредственной близости от вертикальной оси, поскольку отображает увеличение прямого электрического тока, которое происходит при увеличении соответствующего напряжения.
4. Вторая (обратная) ветвь соответствует и отображает состояние закрытого электрического тока, который также проходит через прибор. Положение у нее такое, что она проходит фактически параллельно относительно горизонтальной оси. Чем круче эта ветвь подходит к вертикали, тем выше выпрямительные возможности конкретного диода.
5. По графику можно наблюдать , что после роста прямого напряжения, протекающего через p-n-переход, происходит медленное увеличение показателей электрического тока. Однако постепенно, кривая достигает области, в которой заметен скачок, после которого происходит ускоренное нарастание его показателей. Это объясняется открытием диода и проведением тока при прямом напряжении. Для приборов, изготовленных из германия, это происходит при напряжении равном от 0,1В до 0,2В (максимальное значение 1В), а для кремниевых элементов требуется более высокий показатель от 0,5В до 0,6В (максимальное значение 1,5В).
6. Показанное увеличение показателей тока может привести к перегреву полупроводниковых молекул. Если отведение тепла, происходящее благодаря естественным процессам и работе радиаторов, будет меньше уровня его выделения, то структура молекул может быть разрушена, и этот процесс будет иметь уже необратимый характер. По этой причине, необходимо ограничивать параметры прямого тока, чтобы не допустить перегрева полупроводникового материала. Для этого, в схему добавляются специальные резисторы, имеющие последовательное подключение с диодами.
7. Исследуя обратную ветвь можно заметить, что если начинает увеличиваться обратное напряжение, которое приложено к p-n-переходу, то фактически незаметен рост параметров тока. Однако в случаях, когда напряжение достигает параметров, превосходящих допустимые нормы, может произойти внезапный скачок показателей обратного тока, что перегреет полупроводник и будет способствовать последующему пробою p-n-перехода.

Основные неисправности диодов

Иногда приборы подобного типа выходят из строя, это может происходить из-за естественной амортизации и старения данных элементов или по иным причинам.

Всего выделяют 3 основных типа распространенных неисправностей:

1. Пробой перехода приводит к тому, что диод вместо полупроводникового прибора становится по своей сути самым обычным проводником. В таком состоянии он лишается своих основных свойств и начинает пропускать электрический ток в абсолютно любом направлении. Подобная поломка легко выявляется при помощи стандартного , который начинает подавать звуковой сигнал и показывать низкий уровень сопротивления в диоде.
2. При обрыве происходит обратный процесс – прибор вообще перестает пропускать электрический ток в каком-либо направлении, то есть он становится по своей сути изолятором. Для точности определения обрыва, необходимо использовать тестеры с качественными и исправными щупами, в противном случае, они могут иногда ложно диагностировать данную неисправность. У сплавных полупроводниковых разновидностей такая поломка встречается крайне редко.
3. Утечка , во время которой нарушается герметичность корпуса прибора, вследствие чего он не может исправно функционировать.

Пробой p-n-перехода

Подобные пробои происходят в ситуациях, когда показатели обратного электрического тока начинают внезапно и резко расти, происходит это из-за того, что напряжение соответствующего типа достигает недопустимых высоких значений.

Обычно различается несколько видов:

1. Тепловые пробои , которые вызваны резким повышением температуры и последующим перегревом.
2. Электрические пробои , возникающие под воздействием тока на переход.

График вольт-амперной характеристики позволяет наглядно изучать эти процессы и разницу между ними.

Электрический пробой

Последствия, вызываемые электрическими пробоями, не носят необратимого характера, поскольку при них не происходит разрушение самого кристалла. Поэтому при постепенном понижении напряжения можно восстановить всей свойства и рабочие параметры диода.

При этом, пробои такого типа делятся на две разновидности:

1. Туннельные пробои происходят при прохождении высокого напряжения через узкие переходы, что дает возможность отдельно взятым электронам проскочить через него. Обычно они возникают, если в полупроводниковых молекулах имеется большое количество разных примесей. Во время такого пробоя, обратный ток начинает резко и стремительно расти, а соответствующее напряжение находится на низком уровне.
2. Лавинные разновидности пробоев возможны благодаря воздействию сильных полей, способных разогнать носителей заряда до предельного уровня из-за чего они вышибают из атомов ряд валентных электронов, которые после этого вылетают в проводимую область. Это явление носит лавинообразный характер, благодаря чему данный вид пробоев и получил такое название.

Тепловой пробой

Возникновение такого пробоя может произойти по двум основным причинам: недостаточный теплоотвод и перегрев p-n-перехода, который происходит из-за протекания через него электрического тока со слишком высокими показателями.

Повышение температурного режима в переходе и соседних областях вызывает следующие последствия:

1. Рост колебания атомов , входящих в состав кристалла.
2. Попадание электронов в проводимую зону.
3. Резкое повышение температуры.
4. Разрушение и деформация структуры кристалла.
5. Полный выход из строя и поломка всего радиокомпонента.

Импульсный диод - это диод с малой длительностью переходных процессов, предназначенный для применения в импульсных режимах работы. Они применяются в качестве коммутирующих элементов, для детектирования высокочастотных сигналов и для других целей. При быстрых изменениях напряжения на диоде в pn- переходе возникают переходные процессы, обусловленные двумя основными процессами. Первое - это накопление неосновных носителей в базе диода при его прямом включении, т.е. заряд диффузионной емкости. А при смене напряжения на обратное (или при его уменьшении) - рассасывание этого заряда. Второе явление - это перезарядка барьерной емкости, которая тоже происходит не мгновенно, а характеризуется постоянной времени t=rd*Cbar, где rd - дифференциальное сопротивление диода (сопротивление по переменному току), а Cbar - барьерная емкость pn- перехода. Первое явление играет основную роль при больших плотностях прямого тока через диод, заряд барьерной емкости в этом случае играет второстепенную роль. При малых плотностях тока переходные процессы в диоде определяются вторым явлением, а второстепенную роль играет уже накопление неосновных носителей заряда в базе.

Рассмотрим процесс переключения диода из состояния высокой проводимости (диод открыт) в состояние низкой проводимости (диод закрыт) При приложении прямого напряжения возникает значительный прямой ток, что приводит к накоплению неосновных носителей заряда в области базы (это высокоомная n - область). При переключении диода с прямого направления на обратное в начальный момент через диод идет большой обратный ток, ограниченный, в основном, объемным сопротивлением базы. Со временем накопленные в базе неосновных носители рекомбинируют или уходят через pn- переход, и обратный ток уменьшается до своего стационарного значения. Весь этот процесс занимает время восстановления обратного сопротивления tgoc- интервал времени от момента прохождения тока через нуль после переключения диода до момента достижения обратным током заданного низкого значения. Это один из основных параметров импульсных диодов, и по его значению они делятся на шесть групп: tboc >500 нс; tboc =150…500 нс; tboc =30…150 нс, tboc =5…30 нс; tboc =1…5 нс и tboc <1 нс.

Рисунок 1.11 - Процесс переключения диода из открытого состояния в закрытое

При пропускании импульса тока в прямом направлении наблюдается выброс напряжения в первый момент после включения (рисунок 1.12), что связано с повышением напряжением до тех пор, пока не закончится накопление неосновных носителей в базе диода. После этого сопротивление базы понижается и напряжение уменьшается.

Рисунок 1.12 Процесс переключения диода из закрытого состояния в открытое

Значения этих параметров зависят от структуры диода и от времени жизни неосновных носителей заряда в базе диода. Для уменьшения времени жизни неосновных носителей в базу вводится небольшое количество примеси золота. Атомы золота служат дополнительными центрами рекомбинации, в результате их введения уменьшается время жизни носителей заряда, а следовательно, и диффузионная емкость pn- перехода. Уменьшение барьерной емкости достигается технологическим и конструктивным методами. Импульсные диоды изготавливаются на основе планарной технологии, эпитаксиального наращивания, ионно-лучевой технологии. Основным полупроводниковым материалом при этом служит кремний. В быстродействующих импульсных цепях широко используют диоды Шотки, в которых переход выполнен на основе контакта металл-полупроводник. Условное обозначение показано на рис.

Рисунок - Условное обозначение диода Шотки

У этих диодов не затрачивается время на накопление и рассасывание зарядов в базе, их быстродействие зависит только от скорости процесса перезарядки барьерной емкости. Вольтамперная характеристика диодов Шотки напоминает характеристику диодов на основе pn - переходов. Отличие состоит в том, что прямая ветвь в пределах 8 - 10 декад приложенного напряжения представляет почти идеальную экспоненциальную кривую, а обратные токи - малы (доли-десятки наноампер). Конструктивно диоды Шотки выполняют в виде пластины низкоомного кремния, на которую нанесена высокоомная эпитаксиальная пленка с электропроводностью того же типа. На поверхность пленки вакуумным напылением нанесен слой металла. Диоды Шотки применяют также в выпрямителях больших токов и в логарифмирующих устройствах.

Диодом импульсного типа называют диод имеющий малую длительность переходных процессов и являющийся составной частью импульсной схемы, работающей на высокой частоте.

Для данных целей наиболее подходят диоды с оптимизированными собственными ёмкостью и временем, требующимся на то, чтобы обратное сопротивление восстановилось. Достижение необходимого показателя по первому параметру происходит при уменьшении длины и ширины p-n — перехода, это соответственно сказывается и на уменьшении допустимых мощностей рассеивания.

По второму — при использовании сильно легитированных полупроводниковых элементов (например, легитация кремниевых пластины используется золото).

Для диодов импульсного типа свойственно наличие:

• Малых значений предельных импульсных токов (максимально исчисляются в нескольких сотнях мА);

• Малых значений предельных обратных напряжений (максимально — десятки вольт).

Величина барьерной ёмкости у диода импульсного типа в большинстве случаев составляет меньше 1пФ (пико Фарад). Что до времени жизни неосновных носителей, то оно не превышает 4 нс.

Для диодов данного типа характерна способность к пропусканию импульсов продолжительностью не более микросекунды при токах с широкой амплитудой. Если диод точечный (в смысле конструкции), то ему свойственно работать на частотах около 1ГГц.

Типы импульсной диодной конструкции:

• Планарная;
• Меза-планарная;
• Сплавная;
• Сварная.

Диод (импульсный) имеет широкий спектр областей применения, в том числе, с его помощью можно сконструировать электронный ключ, генератор, модулятор, формирователь импульсов и демпфер.

По сути импульсный диод выполняет те же функции, что и стандартный диод полупроводникового типа, обладающий p-n — переходом. В момент воздействия прямого напряжения он демонстрирует хорошую электропроводность. Кроме того, в случае смены полярностей происходит перекрывание диода. Перекрывается он не в одно мгновение, а в несколько этапов:

• Увеличивается сила обратного тока;
• Рассасываются неосновные носители;
• Протекает восстановление высокого сопротивления на p-n — переходе;
• Диод заперт.

По каким параметрам следует оценивать импульсный диод:

1. По общей ёмкости.
2. По максимальному прямому напряжению.
3. По максимальному импульсному току.
4. По временному промежутку, требующемуся на то, чтобы после импульсного воздействия прямым током было достигнуто требуемое значение по прямому напряжению (этот параметр зависит от того, насколько быстро будут передвигаться неосновные носители заряда (ННЗ) от перехода по направлению к базе, что приводит к тому, что сопротивление на самой базе снижается).
5. По временному промежутку, требующемуся на восстановление обратного сопротивления. Начало отсчета происходит в тот миг, когда ток пропускается через «0» (после того, как была измерена полярность приложенного напряжения), а конец — когда будет достигнуто заданное малое значение.

Феномен восстановительного периода обуславливается существованием заряда, накопившегося в диодной базе в то время, когда подавался импульс. Чтобы запереть диод, потребуется тем или иным способом избавиться от этого заряда.

Это может произойти благодаря рекомбинациям и возвращению ННЗ в зону эмиттера. Данное действие оказывает влияние на обратный ток, его сила возрастает. После смены полярностей напряжения в течение определённого временного интервала изменений обратного тока, который ограничивается лишь воздействием внешнего сопротивления цепи, практически не происходит. В то же время ННЗ, скопившиеся в диодной базе во время подачи импульса, рассасываются.

По завершении некоторого временного отрезка ННЗ рядом с переходом приобретают равновесную концентрацию, однако, в более глубинной части базы заряд по-прежнему остаётся неравновесным. Но на данный момент значение обратного диодного тока становится статическим. Полностью он перестанет изменяться, когда скопившийся внутри базы заряд полностью рассосётся.

Диод Шоттки

Для импульсных цепей быстрого действия характерно применение диодов с барьером Шоттки. В таких устройствах зона перехода располагается в месте сцепления металла и полупроводника. Сконструированные подобным образом диоды не требуют дополнительного времени, чтобы заряды внутри базы накапливались, а потом рассасывались. Ключевым параметром здесь становится лишь та скорость с которой перезаряжается барьерная ёмкость.

По своим вольт-амперным характеристикам диоды Шоттки весьма схожи с диодами, работа которых основана на действии p-n — перехода. Вся разница заключается в том, что на первых восьми — десяти десятках приложенного напряжения, график действия практически точно движется по экспоненте, при этом объёмы обратных токов крайне невелики (до нескольких десятков нА).

С точки зрения конструкции диоды данного типа представляют собой полупроводниковую пластину (материал: низкоомный кремний), покрытую эпитаксиальной плёнкой (высокоомной), имеющей аналогичную по типу электропроводность. Сама плёнка тоже имеет покрытие в виде вакуумного металлического напыления.

К сфере применения диодов Шоттки можно также отнести выпрямители больших токов и логарифмирующие устройства. Подробней про диод Шоттки

Выпрямительный диод

Чтобы получить однополярное пульсирующее напряжение при выпрямлении переменного, обычно применяется выпрямительный диод. Действие пульсирующего напряжения сглаживается (обычно с помощью конденсатора) и на выходе оно становится постоянным. Конструирование выпрямительного диода аналогично конструированию его плоскостной разновидности. Это обусловлено их низкочастотным режимом работы и большой силой прямого тока, идущего по электронно-дырочному переходу.

Для выпрямительных диодов малой мощности свойственно рассеивание собственной тепловой энергии посредством собственной же внешней оболочки, как следствие, они не нуждаются в охлаждающих устройствах. Выпуск выпрямительных диодов возможен как в форме дискретного компонента, так и в виде диодных сборок.

Величина обратного напряжения для выпрямительного диода, превышающий максимально допустимый, может стать причиной пробоя. Предотвратить это возможно последовательным соединением группы предварительно шунтированных диодов (шунтирование при помощи высокоомного резистора позволяет равномерно распределить напряжение по всем компонентам).

Негативное действие прямого тока излишней силы можно минимизировать и даже предотвратить при помощи параллельно соединённых диодов. Показания по сопротивлению, даже для диодов от одного изготовителя и произведённых в одно время, могут сильно разниться. Поэтому, для сохранения целостности диода с более низкими показателями, производится последовательное подключение к низкоомным резисторам. Это способствует уравниванию силы проходящих внутри диодов прямых токов.

Лазерный диод

Под термином лазер понимается излучение монохроматического типа в оптическом волновом диапазоне, получаемое при помощи квантовых генераторов. Лазеры, конструкция которых базируется на полупроводниках выступают инструментом создания лазерных диодов. В качестве базы для конструирования диодов требуется использование плоскостного электронно-дырочного перехода. Он формируется при помощи полупроводника, имеющего проводимость электронного типа (к примеру, арсенид галлия).

Конструкция лазерного диода

Между гранями полупроводниковых пластин, выступающих в качестве основы образования электронно-дырочного перехода, служат для формирования резонатора Фабри-Перо. Фотоны внутри этого своеобразного «коридора» отражаются от стен тысячи раз, до того как покинуть его. Концентрированность электронов для более высоких энергетических уровней первоначально меньше, чем для более низких.

Электронную инжекцию в зону дырочной проводимости производят при осуществлении прямого включения от внешнего источника питания. Также это способствует осуществлению электронной рекомбинации на месте, где электронно-дырочный переход граничит с остальной частью диода (эта зона составляет меньше двух микрометров). Всё это происходит при параллельном выделении фотонов.

Далее электроны всё больше концентрируются в области верхних энергетических уровней, до того момента, пока не превысят уровень концентрации электронов внизу. После многократное отражение уже имеющихся и появление новых индуцирующих фотонов приведёт к формированию монохроматического светового излучения, покидающего стены лазерного диода посредством специального окошка.

Необходимо помнить, что лазер применим лишь в целях создания, но не увеличения силы импульсов

Ввиду того, что использование трансформатора вне дома не несёт никакой пользы, то здесь импульсные преобразователи энергии оказываются весьма уместны. Ведь они способны используя абсолютно любую батарею или аккумулятор, формировать нужный уровень напряжения.

Диоды импульсных источников питания (импульсных силовых блоков, импульсных блоков питания), обеспечивающие их работоспособность, были описаны выше. Применение той или иной разновидности зависит от того, какие конкретно свойства и параметры требуется получить при создании конкретного блока питания. Самостоятельное конструирование подобных блоков не представляет особой сложности, но, тем не менее, это тема, требующая отдельного обсуждения.

1. Общая емкость диода С д (доли пикофарада – несколько пикофарад).

2. Максимальное импульсное прямое напряжение U пр.и. max .

3. Максимально допустимый импульсный прямой ток I пр.и. max .

4. Время установления прямого напряжения диода t уст – интервал времени от подачи импульса прямого тока на диод до достижения заданного значения прямого напряжения на нем (доли нс – доли мкс).

5. Время восстановления обратного сопротивления диода t вос – интервал времени, прошедший с момента прохождения тока через нуль (после изменения полярности приложенного напряжения) до момента, когда обратный ток достигнет заданного малого значения (порядка 0,1 I, где I – ток при прямом напряжении; t вос – доли нс – доли мкс).

Наличие времени восстановления обусловлено зарядом, накопленным в базе диода при инжекции. Для запирания диода этот заряд должен быть «ликвидирован». Это происходит за счет рекомбинаций и обратного перехода неосновных носителей заряда в эмиттер. Последнее приводит к увеличению обратного тока. После изменения полярности напряжения в течение некоторого времени t 1 меняется мало и ограничен только сопротивлением внешней цепи. Временная диаграмма изменения тока через диод при подключении обратного напряжения приведена на рисунке 2.14. По истечении времени t 1 концентрация

Рис. 2.14. Изменение тока через диод при подключении обратного напряжения. Условное обозначение диода Шотки

неосновных носителей заряда на границе перехода равна равновесной, но в глубине базы еще имеется неравновесный заряд. С этого момента обратный ток диода уменьшается до своего статического значения. Изменение его прекратится в момент полного рассасывания заряда, накопленного в базе.

В быстродействующих импульсных цепях широко используются диоды Шотки, в которых переход выполнен на основе контакта металл – полупроводник. У этих диодов не затрачивается время на накопление и рассасывание зарядов в базе, их быстродействие зависит только от скорости процесса перезарядки барьерной емкости. Вольт–амперная характеристика диодов Шотки напоминает характеристику диодов на основе р–n переходов. Отличие состоит в том, что прямая ветвь в пределах 8–10 декад приложенного напряжения представляет почти идеальную экспоненциальную кривую, а обратные токи малы (доли – десятки наноампер). Конструктивно диоды Шотки выполняются в виде пластины низкоомного кремния, на которую нанесена высокоомная эпитаксиальная пленка с электропроводностью того же типа. На поверхность пленки вакуумным напылением нанесен слой металла.

Диоды Шотки применяют также в выпрямителях больших токов и в логарифмирующих устройствах. Условное обозначение диода Шотки приведено на рис. 2.14.

Полупроводниковые стабилитроны. Полупроводниковые стабилитроны, называемые также опорными диодами, предназначены для стабилизации напряжений. Их работа основана на использовании явления электрического пробоя р–n перехода при включении диода в обратном напряжении.

Механизм пробоя может быть туннельным, лавинным или смешанным. У низковольтных стабилитронов (с низким сопротивлением базы) более вероятен туннельный пробой. У стабилитронов с высокоомной базой (сравнительно высокоомных) пробой носит лавинный характер. Материалы, используемые для создания р–n переходов стабилитронов имеют высокую концентрацию примесей. При этом напряженность электрического поля в р–n переходе значительно выше, чем у обычных диодов. При относительно небольших обратных напряжениях в р–n переходе возникает сильное электрическое поле, вызывающее электрический пробой, В этом режиме нагрев диода не носит лавинообразного характера, поэтому пробой не переходит в тепловой. На рисунке 2.15 приведены вольт–амперные характеристики стабилитрона КС510А при различных температурах.

Рис. 2.15. Вольт–амперные характеристики стабилитрона

Импульсные диоды предназначены для работы в быстродействующих импульсных схемах. Основными отличительными особенностями импульсных диодов, так же как и высокочастотных, является малая площадь р-n перехода и малое время жизни неравновесных носителей заряда. Основным параметром импульсных диодов является время восстановления обратного сопротивления t вос , определяемое как время, в течение которого диод переходит в запертое состояние при мгновенном изменении полярности напряжения на диоде с прямого на обратное. Для импульсных диодов указывают такие же параметры, характерные для выпрямительных диодов. Конструкция и технология изготовления импульсных диодов аналогичны конструкции и технологии изготовления обычных высокочастотных диодов. В быстродействующих импульсных схемах широко используют диоды Шоттки, площадь перехода которых обычно составляет 20-30 мкм в диаметре, а барьерная емкость не превышает 1 пФ. Особенностью диодов Шоттки является отсутствие инжекции неосновных носителей заряда в полупроводник, поэтому основным фактором, влияющим на длительность переходных процессов, является перезаряд только барьерной емкости. Диоды Шоттки могут работать на частотах до 15 ГГц, а время переключения у них составляет около 0,1 нс.

В импульсных схемах, формирующих импульсы с крутыми фронтами, применяют диоды с накоплением заряда (ДНЗ). В этих диодах примесь в базе распределена неравномерно: концентрация ее больше в глубине базы и меньше возле р-n перехода, вследствие чего возникает внутреннее электрическое поле. Это поле препятствует проникновению в глубь базы инжектированных при прямом напряжении дырок из р -области в базу, то есть обеспечивает их группирование около границы р-n перехода. Кроме того, это поле при обратном напряжении способствует освобождению базы от неосновных носителей, в результате чего уменьшается t вос в десятки раз и отрицательный выброс импульса тока получается практически прямоугольным.

В настоящее время широкое применение находит в качестве высокочастотных и импульсных диодов диоды с p-i-n –структурой. В этих диодах сильнолегированные р и п области разделены достаточно широкой областью с собственной проводимостью. Электрическое поле действует только в i - области и оно практически однородное. Барьерная емкость p-i-n диода за счет широкой i - области мала и слабо зависит от приложенного к диоду напряжения.

Особенность работы p-i-n- диода состоит в следующем. Во-первых, при прямом смещении происходит инжекция электронов из п -области и дырок из р -области в i - область, что приводит к резкому уменьшению прямого сопротивления диода. Во-вторых, носители тока в i- области перемещаются не только за счет диффузии, но и дрейфуют в поле, что увеличивает их скорость и уменьшает время переноса носителей тока. Оба эти фактора увеличивают значение максимальной частоты работы таких диодов. При обратном напряжении происходит интенсивная экстракция носителей из i - области, что приводит к дополнительному возрастанию обратного сопротивления. Таким образом, для p-i-n диодов характерно большое отношение обратного к прямому сопротивлению, что обуславливает их хорошие импульсные свойства в переключательном режиме работы. Кроме того, такие диоды могут коммутировать в импульсе достаточно высокие мощности до нескольких десятков кВт.

В качестве импульсных диодов находят применение мезадиоды . Их особенностью является технология изготовления. При изготовлении этих диодов методом избирательного травления формируют конические выступы – столики, называемых «мезами». Такая технология позволяет получать р-п переходы с очень малой площадью и малой емкостью перехода и тем самым малым временем переключения

Рис.1.4. Конструкции двух типов импульсных диодов

Условно-графическое обозначение импульсного диода такое же как и у выпрямительного, возможные конструкции импульсных диодов приведены на рисунке 1.4.

Контрольные вопросы

1. Дайте классификацию полупроводниковых диодов.

2. Как влияет температура на вольтамперную характеристику германиевых и кремниевых выпрямительных диодов?

3. Назовите основные параметры выпрямительных диодов.

4. Какие требования предъявляются к высокочастотным и импульсным диодам?

5. В чем особенность работы р-i-п диодов и диодов с накоплением заряда (ДНЗ)?