2.2.4. Импульсные диоды

Особой разновидностью полупроводниковых диодов являются полупроводниковые высокочастотные и импульсные диоды, предназначенные для работы в высокочастотных схемах и импульсных режимах.

Импульсные диоды наряду со статическими характеристиками, характеризуются, главным образом, динамическими параметрами, к которым относятся их временные или частотные характеристики:

 время восстановления t_вос обратного напряжения;

 время нарастания t_нар прямого тока;

 предельная частота работы диода f_max;

 время установления прямого сопротивления t_в;

 заряд переключения Q.

Динамические параметры импульсного диода можно измерить, собрав схему однополупериодного выпрямителя (рис. 2.9, а), работающего на резистивную нагрузку R_н и питающегося от источника напряжения прямоугольной формы. Временные диаграммы тока нагрузки i(t), напряжения u_Д(t) и мощности потерь Р_Д на импульсном диоде VD, показаны на рис. 2.9, б [16], [21].

а)

б)

Рис. 2.9. Схема испытаний (а) и временные характеристики (б) импульсного диода

Напряжение u_И на входе схемы в момент времени t = 0 скачком приобретает положительное значение U_m, так что на аноде +, а на катоде . Из-за инерционности диффузионного процесса ток в диоде VD появляется (рис. 2.9) не мгновенно, а нарастает в течение времени t_нар. Одновременно с нарастанием тока i(t) через диод на нем снижается напряжение, т.к. его сопротивление падает (r  0). В момент времени t₁ напряжение становится равным U_a. В цепи устанавливается стационарный режим, при котором ток диода i = I_н = U_m/R_н. Следует отметить, что при прямом смещении значительное количество основных носителей инжектируется через область p-n-перехода, например, дырки, переходят в n-область, где они являются неосновными носителями. Эта совокупность инжектированных носителей, ставших неосновными, сосредоточена вблизи границ p-n-перехода (рис. 2.1, в: дырки – у правой границы в n-области, электроны – у левой границы в р-области), образуя заряд диффузионной емкости С_диф: чем больше прямое напряжение, тем интенсивнее инжекция, и тем больше заряд Q диффузионной емкости. Число инжектированных носителей уменьшается по мере удаления от границ перехода l_p и l_n к контактам А и К за счет их рекомбинации с основными носителями.

Такое положение сохраняется вплоть до момента времени t₂, когда полярность входного напряжения u_И меняется на противоположную. Казалось бы, диод должен сразу переключиться из проводящего состояния в непроводящее, т.е. закрыться! Однако масса инжектированных носителей, накопленная на границах p-n-перехода, не может рекомбинировать мгновенно, и исчезает с постоянной времени жизни Поэтому совокупность этих подвижных свободных носителей заряда, пересекавших ранее открытый p-n-переход диода, некоторое время обеспечивает малое сопротивление диода, поддерживая диод в проводящем состоянии. Поэтому диод не закрывается, но из-за того, что в момент t₂ входное напряжение u_И меняется на противоположное, изменяется лишь направление тока.

С момента времени t₂ происходит рекомбинация (рассасывание) зарядов на границе p-n-перехода (т.е. разряд диффузионной емкости С_диф). Этот процесс, продолжающийся в интервале времени t_рас = t₃ – t₂, характеризуется тем, что сопротивление диода возрастает, но ток остается постоянным.

В промежуток времени t₂-t₃-t₄ напряжение на диоде изменяется от малого значения +U_a, затем становится равным нулю, и в дальнейшем приобретает большое обратное значение U_обр = U_m. Процесс восстановления запирающих свойств диода продолжается до момента времени t₄, после чего диод оказывается запертым. К этому времени ток в диоде становится равным нулю, а напряжение достигает значения –U_m.

Время восстановления обратного сопротивления t_в определяет интервал времени между моментом переключения напряжения на диоде с прямого на обратное и моментом времени, когда обратный ток достигает заданного значения. Таким образом, время восстановления обратного сопротивления (или тока) равно

t_в = t_рас + t_вос. (2.8)

По этому параметру импульсные диоды подразделяются на две группы: скоростные или микросекундные (0,1 мкс < t_в < 0,1 мс); сверхскоростные или наносекундные (t_в < 0,1 мкс).

Из временной диаграммы мощности Р_Д, потребляемой диодом (мощности потерь), следует, что мощность потерь резко повышается в момент его включения и, особенно, при выключении.

При создании импульсных диодов достигнуты малые значения внутренних емкостей и малое время переключения из проводящего состояния в непроводящее и обратно.