Импульсные свойства диодов. Пояснить на характеристиках и объяснить, какими физическими явлениями эти свойства обусловлены
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:
- По общей ёмкости.
- По максимальному прямому напряжению.
- По максимальному импульсному току.
- 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).
- 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.
Импульсные диоды имеют малую длительность переходных процессов и предназначены для работы в импульсных цепях. От выпрямительных диодов они отличаются малыми емкостями -перехода (доли пикофарад) и рядом параметров, определяющих переходные характеристики диода. Уменьшение емкостей достигается за счет уменьшения площади -перехода, поэтому допустимые мощности рассеяния у них невелики .
Основные параметры импульсных диодов
1. Общая емкость диода (доли -несколько ).
2. Максимальное импульсное прямое напряжение .
3. Максимально допустимый импульсный ток .
4. Время установления прямого напряжения диода густ - интервал времени от момента подачи импульса прямого тока на диод до достижения заданного значения прямого напряжения на нем - зависит от скорости движения внутрь базы инжектированных через переход неосновных носителей заряда, в результате которого наблюдается уменьшение ее сопротивления (доли не - доли ).
5. Время восстановления обратного сопротивления диода - интервал времени, прошедший с момента прохождения тока через нуль (после изменения полярности приложенного напряжения) до момента, когда обратный ток достигнет заданного малого значения (порядка , где - ток при прямом напряжении; - 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 , обратный ток меняется мало (рис. 2.13, а, б) и ограничен только внешним сопротивлением цепи. При этом заряд неосновных носителей, накопленных при инжекции в базе диода (концентрация ), рассасывается (пунктирные линии на рис. 2.13, в).
Рис. 2.13. Изменение тока через диод (а) при подключении обратного напряжения (б) и изменение концентрации неосновных носителей заряда в базе импульсного диода (в); условное обозначение диода с барьером Шотки (г); эквивалентная схема диода (д): сопротивление -перехода; - емкость -перехода; - омическое сопротивление тела базы и эмиттера; С - межэлсктродная емкость выводов
По истечении времени концентрация 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 используют 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 -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 нА). 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.
Условное обозначение диода Шотки и эквивалентная схема диода приведены на рис. 2.13, г. д.
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
ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ, ИМПУЛЬСНЫЕ ДИОДЫ, ВАРИКАПЫ
Высокочастотные диоды
Высокочастотные диоды ‒ приборы универсального назначения. Они могут быть использованы для выпрямления, детектирования и других нелинейных преобразований электрических сигналов в диапазоне частот до 600 МГц. Высокочастотные диоды изготовляются, как правило, из германия или кремния и имеют точечную структуру. Конструкция точечного германиевого диода показана на рис. 6.8. Диод состоит из кристалла германия, припаянного к кристаллодержателю, контактного электрода в виде тонкой вольфрамовой проволочки и стеклянного баллона. Размеры кристалла составляют 1х1х0,2 мм. Радиус области соприкосновения проволочки с германием обычно не превышает 5‒7 мкм.
Для получения р-п перехода диод в процессе изготовления подвергают токовой формовке. С этой целью через него в прямом направлении пропускается кратковременный импульс тока величиной до 400 мА. В результате формовки тонкий слой полупроводника, примыкающий к острию, приобретает дырочную проводимость, а на границе между этим слоем и основной массой пластинки возникает р-п переход. Такая конструкция диода обеспечивает небольшую величину емкости р-п перехода (не более 1 пФ), что позволяет эффективно использовать диод на высоких частотах. Однако малая площадь контакта между частями полупроводника с проводимостью типа п и р не позволяет рассеивать в области р-п перехода значительные мощности. Поэтому точечные диоды менее мощные, чем плоскостные, и не используются в выпрямителях, рассчитанных на большие напряжения и токи. Они применяются, главным образом, в схемах радиоприемной и измерительной аппаратуры, работающей на высоких частотах, а также в выпрямителях на напряжения не выше нескольких десятков вольт при токе порядка десятков миллиампер.
Включение высокочастотных точечных диодов в схему принципиально не отличается от включения плоскостных выпрямительных диодов. Аналогичен и принцип работы точечного диода, основанный на свойстве односторонней проводимости р-п перехода.
Типичная вольтамперная характеристика точечного диода показана на рис. 6.9,а . Обратная ветвь характеристики точечного диода значительно отличается от соответствующей ветви характеристики плоскостного диода.
Ввиду
малой площади p
-
n
перехода обратный ток диода мал, участок
насыщения невелик и не так резко выражен.
При увеличении обратного напряжения
обратный ток возрастает почти равномерно.
Влияние температуры на величину обратного
тока сказывается слабее, чем в плоскостных
диодах, ‒
удвоение обратного тока происходит при
приращении температуры на 15‒20°С
(рис. 6.9,б
).
Напомним (параграф 6.1), что в плоскостных
р-п
переходах обратный ток возрастает
примерно в 2‒2,5
раза при повышении температуры на каждые
10°С.
Свойства высокочастотных диодов характеризуют параметры, аналогичные указанным в параграфе 6.1. Существенное значение для оценки свойств высокочастотных диодов имеют:
Общая емкость диода С Д ‒ емкость, измеренная между выводами диода при заданных напряжении смещения и частоте.
Дифференциальное сопротивление r диф ‒ отношение приращения напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению тока.
Диапазон частот ∆f ‒ разность предельных значений частот, при которых средний выпрямленный ток диода не менее заданной доли его значения на низшей частоте.
Высокочастотные точечные диоды могут быть использованы в схемах детектирования, в качестве ограничителей, нелинейных сопротивлений, коммутационных элементов и т. п.
В последние годы все большее применение находят диоды, основанные на выпрямляющем действии контакта металл ‒ полупроводник ‒ так называемые диоды Шоттки . В отличие от обычных точечных диодов, у которых контакт осуществляется прижимом металлической иглы, у диодов Шоттки контакт представляет собой тонкую пленку металла (золото, никель, алюминий, платина, вольфрам, молибден, ванадий и др.). Как было показано выше (параграф 3.8), приборы, использующие контакт металл ‒ полупроводник, работают на основных носителях заряда, что позволяет существенно уменьшить их инерционность, а, следовательно, повысить быстродействие. Время переключения диодов Шоттки из запертого состояния в открытое и наоборот определяется малой величиной барьерной емкости, которая обычно не превышает 0,01 пФ.
Основное преимущество диодов Шоттки по сравнению с диодами на р-п переходах ‒ возможность получения меньших значений прямого сопротивления контакта, так как металлический слой по этим свойствам превосходит любой, даже сильно легированный слой полупроводника.
Малое прямое сопротивление и небольшая емкость барьера Шоттки позволяет диодам работать на сверхвысоких частотах. Типичный диапазон рабочих частот составляет 5-250 ГГц, а время переключения - менее 0,1 нс. Обратные токи диодов Шоттки малы и составляют несколько микроампер. Обратные напряжения лежат в интервале 10...1000 В.
Следует отметить, что диоды Шоттки получили распространение сравнительно недавно (в начале 70-х годов), хотя их теория насчитывает более 50 лет. Это объясняется тем, что лишь в последние годы, благодаря совершенствованию технологии производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем, удалось получить барьеры Шоттки с характеристиками и параметрами, близкими к идеальным.
Импульсные диоды
Импульсные диоды предназначены для работы в быстродействующих импульсных схемах с временем переключения 1 мкс и менее. При столь коротких рабочих импульсах приходится учитывать инерционность процессов включения и выключения диодов и принимать конструктивно-технологические меры, направленные на снижение барьерной емкости и сокращение времени жизни неравновесных носителей заряда в области р-п перехода.
По способу изготовления р-п перехода импульсные диоды подразделяются на точечные, сплавные, сварные и диффузионные (меза и планарные). Устройство диодов указанных групп показана на рис. 6.10.
Конструкция точечных импульсных диодов (рис. 6.10,а ) практически не отличается от конструкции обычных высокочастотных диодов. В некоторых случаях для улучшения характеристик диода на острие контактной иглы наносят примесь (обычно индий или алюминий), образующую акцепторные центру в германии и кремнии n -типа. В процессе электроформовки приконтактная область полупроводника сильно нагревается и непосредственно под острием иглы образуется небольшая по размерам р -область.
В сплавных диодах (рис. 6.10, б) р−п переход получают вплавлением в кристалл полупроводника электронной проводимости кусочка сплава, содержащего атомы акцепторной примеси. Граница между исходным монокристаллом и сильно легированным р -слоем представляет собой р−п переход. Обычно такой метод используется при изготовлении кремниевых импульсных диодов. При создании аналогичных германиевых диодов вместо метода сплавления используют метод импульсной сварки (рис. 6.10, в ). В этом случае к кристаллу германия подводится тонкая золотая (с присадкой галлия) игла и через полученный контакт пропускается импульс тока большой амплитуды, в результате чего конец золотой иглы сваривается с германием.
Наиболее быстродействующие импульсные диоды получают методом диффузии донорных или акцепторных примесей в твердый полупроводник.
Проникая
на некоторую глубину полупроводника,
диффундирующие атомы меняют тип
проводимости этой части кристалла,
вследствие чего возникает р
−
п
переход. После получения диффузионной
структуры осуществляют химической
травление поверхности полупроводника,
после которого р
−
п
переход сохраняется только внутри
небольшой области, которая возвышается
над остальной поверхностью в виде
столика (меза). Такой вид кристалла
называют мезаструктурой (рис. 6.10, г
).
Емкость
р
−
п
переходов мезадиодов ниже, а напряжение
пробоя выше, чем у сплавных или сварных
диодов. Время переключения мезадиодов
не превышает 10 пс.
Весьма перспективными являются диоды, полученные при помощи планарно-эпитаксиальной технологии (рис. 6.10, д). При их изготовлении примесь вводится в полупроводник (обычно кремний) локально − через «окна» в защитной окисной пленке SiO 2 . Получающиеся при этом р − п переходы отличаются высокой стабильностью параметров и надежностью.
Простейшая
схема включения импульсного диода
приведена на рис. 6.11,
а.
Под воздействием входного импульса
положительной полярности (рис. 6.11,
б
)
через диод протекает прямой ток, величина
которого определяется амплитудой
импульса, сопротивлением нагрузки
и сопротивлением открытого диода. Если
на диод, через который протекает прямой
ток, подать обратное напряжение так,
чтобы его запереть, то диод запирается
не мгновенно (рис. 6.11, в
).
Рис. 6.11. Схема включения (а) и осциллограммы
входного напряжения (б) и тока (в) импульсного диода
В первый момент наблюдается резкое увеличение обратного тока I 1 через диод и лишь постепенно с течением времени он уменьшается и достигает установившегося значения I обр. Указанное явление связано со спецификой работы р − п перехода и представляет собой проявление так называемого эффекта накопления. Сущность этого эффекта состоит в следующем. Во время протекания прямого тока через р − п переход осуществляется инжекция носителей. В результате инжекции в непосредственной близости к переходу создается концентрация неосновных неравновесных носителей, которая во много раз превышает концентрацию равновесных неосновных носителей в области р − п перехода: чем больше концентрация неосновных носителей, тем больше обратный ток. Время жизни неравновесных носителей ограничено − постепенно их концентрация уменьшается как за счет рекомбинации, так и за счет ухода через р − п переход. Поэтому через некоторое время (τ в на рис. 6.11,в) неравновесные неосновные носители исчезнут; обратный ток восстановится до нормального значения I обр.
Основной характеристикой импульсных диодов является их переходная характеристика. Она отражает процесс восстановления обратного тока и обратного сопротивления диода при воздействии на него импульсного напряжения обратной полярности (см. рис. 6.11, в ).
Основные параметры импульсных диодов:
Время восстановления обратного сопротивления τ в − интервал времени от момента прохождения тока через нуль после переключения диода с заданного прямого тока в состояние заданного обратного напряжения до момента достижения обратным током заданного низкого значения.
Заряд переключения Q пк − часть накопленного заряда, вытекающая во внешнюю цепь при изменении направления тока с прямого на обратное.
Общая емкость С Д − емкость, измеренная между выводами диода при заданных напряжении смещения и частоте.
Импульсное прямое напряжение U пр. и − пиковое значение прямого напряжения на диоде при заданном импульсе прямого тока.
Импульсный прямой ток I пр.и − пиковое значение импульса прямого тока при заданной длительности, скважности и форме.
Для импульсных диодов указывают также величину постоянного прямого напряжения U пр при протекании постоянного тока I пр и величину обратного тока I обр при заданной величине обратного напряжения U обр. Предельные режимы определяются величиной максимально допустимого постоянного обратного напряжения U обр. max , максимально допустимой величиной импульсного обратного напряжения U обр.и. max , а также величинами максимально допустимого постоянного прямого тока I пр. max и максимально допустимого импульсного прямого тока I пр.и. max .
Импульсные диоды широко применяются в импульсных схемах самого различного назначения, например в логических схемах электронных цифровых вычислительных машин.
Варикапы
Варикапами называют полупроводниковые диоды, у которых используется барьерная емкость запертого р-п перехода, зависящая от величины приложенного к диоду обратного напряжения. Конструкция варикапа показана на рис. 6.12. В кристалл кремния 5 с одной его стороны вплавлен в вакууме алюминиевый столбик 4 для получения р-п перехода, а с другой стороны − сплав золото − сурьма для получения омического контакта 6. Эта структура вплавляется в вакууме в коваровый золоченый кристаллодержатель 7. К алюминиевому столбику прикреплен внутренний вывод 2. Соединение кристаллодержателя с баллоном 3 и выводом 1 осуществляется сплавлением в водороде.
Для использования свойств варикапа к нему необходимо подвести обратное напряжение (рис. 6.13).
Как известно, при отсутствии внешнего напряжения между p и n − областями существуют контактная разность потенциалов (потенциальный барьер) и внутреннее электрическое поле. Если к диоду приложить обратное напряжение U обр (рис. 6.14, а ), то высота, потенциального барьера между p и n − областями возрастет на величину приложенного напряжения (рис. 6.14, б ), возрастет и напряженность электрического поля в р-п переходе. Внешнее обратное напряжение отталкивает электроны глубже внутрь n - области, а дырки − внутрь р- области. В результате происходит расширение области р-п перехода и тем больше, чем выше напряжение U обр (на рис. 6.14, б и в ).
Таким образом, изменение обратного напряжения, приложенного к р-п переходу, приводит к изменению барьерной емкости между p и n − областями. Величина барьерной емкости диода С может быть определена из формулы
где
е
− относительная диэлектрическая
проницаемость полупроводника; 
S − площадь р-п перехода; d − ширина р-п перехода.
Формула (6.3) аналогична формуле для емкости плоского конденсатора. Однако, несмотря на сходство этих формул, между барьерной емкостью и емкостью конденсатора имеется принципиальное различие. В обычном конденсаторе расстояние между его пластинами, а следовательно, и его емкость не зависят от напряжения, приложенного к конденсатору. Ширина же р-п перехода зависит от величины приложенного к нему напряжения, следовательно, барьерная емкость зависит от напряжения: при возрастании запирающего напряжения ширина р-п перехода увеличивается, а его барьерная емкость уменьшается.
Основной характеристикой варикапа является зависимость его емкости от величины обратного напряжения (вольтфарадная характеристика). Типичная характеристика С = f (U обр) показана на рис. 6.15. В зависимости от назначения величина номинальной емкости варикапов может быть в пределах от нескольких пикофарад до сотен пикофарад. Зависимость емкости варикапа от приложенного напряжения определяется технологией изготовления р-п перехода.
Параметры варикапов:
Номинальная емкость С ном − емкость между выводами варикапа при номинальном напряжении смещения (обычно U CM = 4 В).
Максимальная емкость С max − емкость варикапа при заданном напряжении смещения.
Минимальная емкость С min − емкость варикапа при заданном максимальном напряжении смещения.
тельных контуров
Коэффициент перекрытия К o − отношение максимальной емкости диода к минимальной.
Добротность Q − отношение реактивного сопротивления варикапа к полному сопротивлению потерь, измеренное на номинальной частоте при температуре 20 O С.
Максимально допустимое напряжение U max − максимальное мгновенное значение переменного напряжения, обеспечивающее заданную надежность при длительной работе.
Температурный коэффициент емкости (ТКЕ) − отношение относительного изменения емкости при заданном напряжении к вызвавшему его абсолютному изменению температуры окружающей среды.
Максимально допустимая мощность Р max − максимальное значение мощности, рассеиваемой на варикапе, при котором обеспечивается заданная надежность при длительной работе.
Основное применение варикапа − электронная настройка колебательных контуров. На рис. 6.16, а приведена схема включения варикапа в колебательный контур. Контур образован индуктивностью L и емкостью варикапа С B . Разделительный конденсатор С р служит для того, чтобы индуктивность L не закорачивала варикап по постоянному току. Емкость конденсатора С р должна быть в несколько десятков раз больше емкости варикапа.
Управляющее постоянное напряжение U подается на варикап с потенциометра R2 через высокоомный резистор R1. Перестройка контура осуществляется перемещением движка потенциометра R2.
Данная схема имеет существенный недостаток − напряжение высокой частоты влияет на варикап, изменяя его емкость. Это ведет к расстройке контура. Включение варикапов по схеме, показанной на рис. 6.16, б , позволяет значительно уменьшить расстройку контура при действии переменного напряжения. Здесь варикапы включены по высокой частоте последовательно навстречу друг другу. Поэтому при любом изменении напряжения на контуре емкость одного варикапа увеличивается, а другого уменьшается. По постоянному напряжению варикапы включены параллельно.
Импульсный диод – это диод с малой длительностью переходных процессов, предназначенный для применения в импульсных режимах работы. Οʜᴎ применяются в качестве коммутирующих элементов (к примеру, в ЭВМ), для детектирования высокочастотных сигналов и для других целей.
При быстрых изменениях напряжения на диоде в - переходе возникают переходные процессы, обусловленные двумя основными процессами. Первое - ϶ᴛᴏ накопление небазовых носителей в базе диода при его прямом включении, ᴛ.ᴇ. заряд диффузионной емкости. А при смене напряжения на обратное (или при его уменьшении) - рассасывание этого заряда. Второе явление - ϶ᴛᴏ перезарядка барьерной емкости, которая тоже происходит не мгновенно, а характеризуется постоянной времени , где - дифференциальное сопротивление диода (сопротивление по переменному току), а - барьерная емкость - перехода.
Первое явление играет основную роль при больших плотностях прямого тока через диод, заряд барьерной емкости в данном случае играет второстепенную роль. При малых плотностях тока переходные процессы в диоде определяются вторым явлением, а второстепенную роль играет уже накопление небазовых носителей заряда в базе.
Рассмотрим процесс переключения диода из состояния высокой проводимости (диод открыт) в состояние низкой проводимости (диод закрыт) (рисунок 1.11)При приложении прямого напряжения возникает значительный прямой ток, что приводит к накоплению небазовых 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, объёмным сопротивлением базы. Со временем накопленные в базе неосновные носители рекомбинируют или уходят через - переход, и обратный ток уменьшается до своего стационарного значения. Весь данный процесс занимает время восстановления обратного сопротивления – интервал времени от момента прохождения тока через нуль после переключения диода до момента достижения обратным током заданного низкого значения. Это один из базовых параметров импульсных диодов, и по его значению они делятся на шесть групп: >500 нс; =150…500 нс;=30…150 нс, =5…30 нс; =1…5 нс и <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 небазовых носителей в базе диода. После этого сопротивление базы понижается и напряжение уменьшается.
Рисунок 1.12 -. Процесс переключения диода из закрытого состояния в открытое
Этот процесс характеризуется вторым параметром импульсного диода – временем установления прямого напряжения , равным интервалу времени от начала импульса тока до достижения заданного значения прямого напряжения.
Значения этих параметров зависят от структуры диода и от времени жизни небазовых носителей заряда в базе диода. Для уменьшения времени жизни небазовых 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 - перехода. Уменьшение барьерной емкости достигается технологическим и конструктивным методами. Импульсные диоды изготавливаются на базе планарной технологии, эпитаксиального наращивания, ионно-лучевой технологии. Основным полупроводниковым материалом при этом служит кремний.
В быстродействующих импульсных цепях широко используют диоды Шоттки (рисунок 1.13) в которых переход выполнен на базе контакта металл-полупроводник. Условное обозначение показано на рис.16.
Рисунок 1.13- Условное обозначение диода Шоттки
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 Шоттки напоминает характеристику диодов на базе - 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 Шоттки 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 Шоттки применяют также в выпрямителях больших токов и в логарифмирующих устройствах.
Импульсные диоды - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Импульсные диоды" 2017, 2018.