3.6.2 Високочастотні діоди

Високочастотні діоди – це напівпровідникові прилади універсального призначення. Вони об’єднують цілу групу НД, які використовуються для нелінійної обробки високочастотних сигналів. Їх застосовують як і випрямні діоди, але при меншому електричному навантаженні, а також в детекторах для виділення низькочастотного інформаційного сигналу з високочастотного модульованого коливання; у змішувачах для зміни несучої частоти модульованого коливання; у модуляторах для модуляції високочастотного коливання та в інших перетворювачах електричних сигналів.

Високочастотні діоди працюють у широкому діапазоні частот (до кількох сотень мегагерців). Тому важливими стають ємнісні властивості НД. Перетворення сигналів за допомогою високочастотних діодів відбувається здебільшого за рахунок несиметрії ВАХ. Але із збільшенням частоти опір ємності діода C_tot зменшується, стає сумірним з опором у запірному напрямі .Тобто із зростанням частоти діоди втрачають вентильні якості (рис. 3.4). Це пов’язано з процесами накопичення та розосередження носіїв заряду в базі.

Н а великих частотах заряд дірок, що інжектували в n-базу за позитивний півперіод, повністю виводиться в зовнішнє коло за негативний півперіод, що створює значний зворотній струм. Діод втрачає випрямні властивості.

Одним з головних параметрів високочастотних діодів є статична ємність С_tot між зовнішніми виводами, яка визначається бар’єрною ємністю p‑n‑переходу. Зазвичай С_tot ≤ 1 пФ.

За частотними властивостями високочастотні діоди поділяють на дві групи: 1) f_max ≤ 100 МГц; 2) 300 МГц ≤ f_max ≤ 1000 МГц. На вищих частотах використовують надвисокочастотні діоди з дуже малим радіусом точкового контакту (2...3 мкм) та особливою конструкцією, а також діоди Шотткі.

3.6.3 Імпульсні діоди та ключі

Імпульсний діод – це НД, що має малу тривалість перехідних процесів в імпульсних режимах роботи. Напівпровідникові діоди широко використовуються як ключі, тобто як пристрої, що можуть знаходитися в одному з двох станів: «Ввімкнено» (опір приладу дуже малий) та «Вимкнено» (oпip приладу дуже великий). Це дозволяє перемикати інформаційні сигнали в імпульсних та цифрових систе­мах.

При використанні НД, шляхом зміни полярності керувальних сигналів майже безінерційно формуюються необхідні напрями потоків електронів. Засвойте це за допомогою схеми збігу, поданої на рис. 3.5. Якщо на діоди D2 та D3 не подаються позитивні імпульси, вони підключені до загальної точки схеми , до «землі», а тому вмикаються в прямому напрямі. Через резистор R1 протікає великий струм і на ньому спадає майже вся напруга джерела живлення. На виході напруга визначається прямою напругою спаду на діодах (0.4-0.8 ). Якщо позитивні імпульси поступають лише на один із діодів, він закривається, його опір суттєво зростає, але інший діод залишається відкритим, а тому стан схеми не зміниться. На виході залишається низький рівень напруги. Лише при одночасному надходженні позитивних імпульсів на обидва діоди, опір зростає, струм через резистор суттєво зменшується, в результаті на виході формується висока напруга ( майже 12 В ). Засвойте процес керування рівнем напруги на виході шляхом керування струмом. Це дуже важливо і в подальшому постійно використовується. Описане нижче відбувається, якщо перемикач J1 вимкнуто. При його вмиканні стан схеми буде визначатись прямим зміщенням діода D1, тобто низьким потенціалом. Лише при подачі позитивних імпульсів на три діоди одночасно (Рис. 3.6, а, б, в.), на виході формується високий рівень напруги ( рис. 3.6, г ) . Так за допомогою НД будуються логічні схеми ( схеми збігу ).

Рис. 3.5. Схема збігу	Рис. 3.6. Осцилограми імпульсів схеми збігу: а) на D1; б) на D2; в)на D3; г)на виході.

Імпульсні діоди призначені здебільшого для роботи у швидкодіючих імпульсних та цифрових схемах. Вони мають ряд конструктивно технологічних особливостей, які забезпечують імпульсний режим роботи. У НД діють два фактори, які визначають їхню інерційність. Це – бар’єрна ємність та накопичений заряд носіїв поблизу переходу. Основними ознаками, що вирізняють імпульсні діоди, є малі площа електричного переходу та тривалість життя нерівноважних носіїв заряду в базі.

Промисловість випускає також набір діодів та діодні матриці. Це інтегровані в одному корпусі та кристалі імпульсні (або універсальні) діоди з окремими або з’єднаними за заданою електричною схемою виводами. Використовуючи тип діода в ключовій схемі, оцінюють співвідношення тривалості iнформаційних сигналів і тривалості процесів накопичення та розосередження носіїв зарядів у структурі р-п‑переходу. Якщо ці значення сумірні, то обов’язково враховують тривалість перехідних процесів, а також спотворення форми імпульсів. Зрозуміло, що вони не повинні перевищувати допустимі значення.

На тривалість перехідних процесів та форму імпульсів у ключових схемах з НД впливають: - безпосередньо частотні властивості р‑п‑перехо­ду, які моделюються за допомогою бар’єрної i дифузійної ємностей; - співвідношення опору генератора інформаційних сигналів i прямого опору НД; - рівень інжекції неосновних ноciїв заряду в базу, що залежить від амплітуди інформаційних сигналів, при цьому розрізняють режим великих амплітуд (великий рівень інжекції) та режим малих амплітуд (малий рівень інжекції).

Розглянемо процеси в НД за його підключення до генератора напруги в режимі великих амплітуд.Під час подачі на діод прямої напруги (рис.3.7,а) струм через діод установлюється не зразу, оскільки oпip бази ще залишається досить великим. Після подачі інформаційного сигналу починається накопичення в базі інжектованих через р‑п‑перехід неосновних носіїв заряду, внаслідок чого зменшується oпip бази і струм діода збільшується (рис.3.7.б), хоча пря­ма напруга на діоді залишається незмінною Цей процес модуляції опору бази не відбувається миттєво, оскільки накопичення неосновних нocіїв у базі діода визначається відносно повільним процесом дифузії їх від р-п‑переходу в глибину бази.

У мipy накопичення нociїв і зменшення опору бази відбувається перерозподіл усієї зовнішньої напруги між опором бази та р-п‑переходом. Спад напруги на базі діода зменшується, а на р-п‑переході збільшується, що викликає збільшення рівня інжекції. Якщо дія імпульсу прямої напруги тривала, то інжекція носіїв зрівноважується їхньою рекомбінацією. Виникає деякий сталий стан.

З перемиканням діода з прямої напруги на зворотну в початковий момент спостерігається великий зворотний струм (рис. 3.7,б), обмежений переважно послідовним опором бази. Починається процес розосередження неосновних нocіїв заряду, накопиченних у базі. Через обмеження зворотного струму концентрація носіїв у базі біля р-п‑переходу не може миттєво зменшитися до рівноваженого рівня. Після зменшення концентрацiї цих нociїв до нуля за час розосередження зворотний струм починає змен­шуватися. Через деякий час t_rr уci накопичені в базі нociї покидають її через р-п‑перехід або рекомбінують, внаслідок чого зворотний струм зменшується до стаціонарного значення струму насичення І₀ . Водночас відновлюється зворотний oпip діода.

Процес розосередження накопичених нociїв відбувається значно по­вільніше, ніж процес їx накопичення, і саме тривалість розосередження визначає інерційні властивості більшості діодів, а також тривалість перехідних процесів.

Перехідний процес, протягом якого зворотний імпеданс (опір) переходу НД відновлюється до сталого значення після швидкого перемикання ЕДП з пропускного напряму на зворотний, називають відновленням зворотного опору діода. Відповідно одним з головних параметрів імпульсного діода є тривалість відновлення зворотного опору t_rr, який дорівнює інтервалу часу від моменту проходження струму через нуль після перемикання діода iз заданого прямого струму в стан заданої зворотної напруги, до моменту досягнення зворотним струмом заданого низького значення (рис. 3.7 б). За значенням цього параметра всі імпульсні діоди поділяють на шість груп: понад 500 нс; 150...500 нс; 30...150 нс; 5...30 нс; 1...5 нс; 1 нс; менше 1 нс.

Імпульсні діоди, крім параметрів, t_rr, С_б, характеризуються ще рядом параметрів. До них належать: постійна пряма напруга, постійний прямий струм, зворотний струм, зворотна напруга, гранично допустимі зворотна напруга та амплітуда імпульсу прямого струму.