
- •Глава 2. Диоды
- •2.1. Образование и свойства р-n-перехода
- •2.1.2. Прямое смещение p-n-перехода
- •2.1.3. Обратное смещение p-n-перехода
- •2.1.4. Вольтамперная характеристика p-n-перехода
- •2.2. Полупроводниковые диоды
- •2.2.1. Общие сведения о технологии изготовления диодов
- •2.2.2. Понятие о характеристиках идеальных и реальных диодов
- •2.2.3. Выпрямительные диоды
- •2.2.4. Импульсные диоды
- •2.2.5. Кремниевые стабилитроны
- •2.2.6. Варикапы
- •2.2.7. Туннельные диоды
- •2.2.8. Фотодиоды и фотоэлементы
- •2.2.9. Светоизлучающие диоды
- •2.2.10. Диоды с барьером Шоттки
- •2.2.11. Обращенные диоды
- •2.2.12. Общие сведения об обозначении полупроводниковых диодов
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 tвос обратного напряжения;
время нарастания tнар прямого тока;
предельная частота работы диода fmax;
время установления прямого сопротивления tв;
заряд переключения Q.
Динамические параметры импульсного диода можно измерить, собрав схему однополупериодного выпрямителя (рис. 2.9, а), работающего на резистивную нагрузку Rн и питающегося от источника напряжения прямоугольной формы. Временные диаграммы тока нагрузки i(t), напряжения uД(t) и мощности потерь РД 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 uИ на входе схемы в момент времени t = 0 скачком приобретает положительное значение Um, 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 tнар. 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 Ua. В цепи устанавливается стационарный режим, при котором ток диода i = Iн = Um/Rн. 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 Сдиф: чем больше прямое напряжение, тем интенсивнее инжекция, и тем больше заряд Q диффузионной емкости. Число инжектированных носителей уменьшается по мере удаления от границ перехода lp и ln к контактам А и К за счет их рекомбинации с основными носителями.
Такое положение сохраняется вплоть до момента времени t2, когда полярность входного напряжения uИ 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 uИ 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 Сдиф). Этот процесс, продолжающийся в интервале времени tрас = 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 +Ua, затем становится равным нулю, и в дальнейшем приобретает большое обратное значение Uобр = Um. 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 –Um.
Время восстановления обратного сопротивления tв 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
tв = tрас + tвос. (2.8)
По этому параметру импульсные диоды подразделяются на две группы: скоростные или микросекундные (0,1 мкс < tв < 0,1 мс); сверхскоростные или наносекундные (tв < 0,1 мкс).
Из временной диаграммы мощности РД, 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.