1.3. Импульсные и высокочастотные диоды

Импульсными диодами называются диоды имеющие время переключения 1 мкс и менее. Высокочастотные диоды работают на диодах до 150 мГц и выше.

При переключении прямого смещения на обратное через диод некоторое время протекает ток, значительно превышающий ток насыщения, связанный с накоплением инжектированных в базу носителей (рис. 1.11)

Время спада обратного тока определяется временем рассасывания заряда в базе и рекомбинаций носителей. Время t_вназывается временем восстановления обратного сопротивления, и определяет минимальную длительность импульсов или минимальный период колебаний, при которых сохраняются выпрямляющие свойства диода.

Время восстановления определяется диффузионной емкостью диода, которая пропорциональна времени жизни носителей (_р). Для уменьшения_рв базе диода создают различные дефекты, а так же вводят примеси с большим сечением захвата, например, золото. С целью уменьшения диффузионной емкости ширину базы выбирают как можно меньше.

Барьерная ёмкость шунтирует p-n-переход на высоких частотах и ухудшает выпрямительные свойства. В импульсных диодах значительная величина С_Бможет искажать форму импульса. Для уменьшения С_Бстремятся уменьшить площадьp-n-перехода.

В качестве импульсных и высокочастотных диодов применяют точечные, микросплавные, меза-диффузионные и планарные диоды малыми С_Dи С_Б.

Эквивалентная схема диода на высокой частоте показана на рис. 1.12.

L_D- индуктивность выводов и контактной иглы диода (точечного), С₃- зарядовая (барьерная) ёмкость, С_D- диффузирующая ёмкость,r_диф- дифференциальное сопротивление,r_у- сопротивление утечки,r_б- сопротивление базы, С_корп- ёмкость корпуса с С_корп<C₃+C_диф).

R_Д

R_Д

R_Д

Рис. 1.9

R_Ш

R_Ш

Рис. 1.10

I

I_ПР

I_НАС

t_B

t

Рис 1.11

C_корп

R_диф

R_у

С₃

С_диф

R_б

L_д

Рис 1.12

При прямом смещении r_диф=_Т/(I+I_o)<<r_у, поэтому следует учитывать толькоr_Б,r_дифи С_D. Постоянная времени при этом определяется временем жизни неосновных носителей, т.к. С_Dr_диф=_р/2.

При обратном смещении С_D0, поэтому учитываютсяr_б,r_у, С_Би С_корп. С увеличением частоты С_Dуменьшается (С_D~). Ухудшение выпрямительных свойств на высоких частотах связано с шунтирующим действием С_Б.

1.4. Стабилитроны

Полупроводниковые диоды, имеющие на ВАХ участок со слабой зависимостью напряжения от тока, называются стабилитронами. В качестве исходного материала для изготовления стабилитронов используется кремний, обеспечивающий малые обратные токи, большой температурный диапазон, большую крутизну ВАХ на участке стабилизации.

Принцип действия основан на использовании электрического пробоя в p-n-переходе. При малой концентрации примеси в базе реализуется лавинный механизм пробоя (U_ст>6,3 В), а при высокой концентрации примеси туннельный (U_ст­<6,3 В).

На рис. 1.13 показана ВАХ стабилитрона. Основными параметрами стабилитронов являются U_ст- напряжение стабилизации;I_ст- ток стабилизации;I_{ст min}- минимальный ток стабилизации (при меньшем токе увеличивается дифференциальное сопротивление);I_{ст max}- максимальный ток стабилизации - наибольший ток, определяемый из максимально допустимой мощности;- дифференциальное сопротивление при заданном токе стабилизации;- статическое сопротивление,K_D=R_ст/r_дифкритерий качества стабилитрона;- температурный коэффициент стабилизации.

Для стабилитронов U_ст=3-200 В. Изменение напряжения стабилизации осуществляется за счет изменения концентрации носителей в базе.

С ростом температуры у стабилитронов с лавинным механизмом пробоя напряжение стабилизации увеличивается за счет возрастания теплового рассеяния, и уменьшения длины свободного пробега носителей, а у стабилитронов с туннельным механизмом уменьшается, вследствие уменьшения ширины запрещенной зоны.

Схема стабилизации напряжения приведена на рис. 1.14. При увеличении U, как только ток через стабилитрон становится большеI_{ст min}напряжение на стабилитроне перестает увеличиваться и остается равнымU_ст. Дальнейшее увеличениеUприводит лишь к увеличению падения напряжения наR.

I

U_ст

-u

+u

P_max

I_{ст min}

I_ст

I_{ст max}

U

Рис. 1.13

R

U

I

I_ст

R_н

I_н

Рис. 1.14

Напряжение на нагрузке поддерживается постоянным. Величина Rпри заданныхUиI_ствыбирается из условия:

. (1.4.1)

Коэффициент стабилизации равен .

Для схемы на рис. 1.14

.

Прецинзионные стабилитроныобладают температурным коэффициентом напряжения стабилизации_ст=10^-5град^-1. Они представляют собой три последовательно включенныхp-n-перехода. Стабилизирующийp-n-переход включен в обратном направлении, а два термокомпенсирующих в прямом. С ростом температуры напряжение на обратно включенномp-n-переходе увеличивается, а на прямо включенных диодах уменьшается. Общее же напряжение изменяется незначительно. Последовательно включенные прямосмещённые диоды увеличивают дифференциальное сопротивление прецинзионных стабилитронов.

Стабисторы. Диод, в котором для стабилизации напряжения используется прямая ветвь ВАХ, называется стабистором. Напряжение стабилизации стабистора с однимp-n-переходом ~0,7 В. Применяются стабисторы с несколькими последовательно включеннымиp-n-переходами.

Обращенные импульсные диодыимеют рабочую точку вблизи напряжения пробоя. На рис 1.15 точка А. Участок лавинного пробоя рассматривается как прямая ветвь ВАХ импульсного диода, а прямая ветвь ВАХ стабилитрона, как обратная ветвь ВАХ импульсного диода. Лавинное нарастание тока обеспечивает высокое быстродействие.

Двуполярные стабилитроныпредставляют собойp-n-p-структуру используемую для двуполярного ограничения напряжения и работающую как два встречно включенных стабилитрона.