Лекции

диоде спадает от максимального до 1,2 установившегося значения, называют временем установления прямого сопротивления (tуст.).

При переключении из открытого состояния в закрытое (при смене полярности подведенного напряжения) в первый момент обратный ток достаточно большой (на один два порядка больше установившегося значения). Этот бросок тока обусловлен избыточными (неравновесными) неосновными носителями заряда по обе стороны р-n-перехода, ранее созданными под действием прямого напряжения, и теперь их ухода через переход под действием поля источника обратного напряжения. Время, в течение которого обратный ток достигает 1,2 установившегося значения, называют временем восстановления обратного сопротивления (tвосст.).

Значения tуст. и tвосст. в импульсных диодах составляют от до-

лей наносекунды до сотен наносекунд. Для достижения таких значений tуст. и tвосст. уменьшают время жизни дырок в базе. Это достигается уменьшением площади перехода и внесением специальных примесей в базу (золото), атомы которых создают эффективные центры рекомбинации (ловушки) для носителей заряда. Уменьшение времени жизни носителей эквивалентно уменьшению диффузионной емкости Cдиф., а уменьшение площади перехода –

снижению Cзар.. В качестве дополнительных параметров для им-

пульсных диодов указывают максимальное прямое импульсное напряжение U и максимальный импульсный ток I .

1.5.6. Высокочастотные диоды

Высокочастотные диоды применяют для детектирования, модуляции, преобразования частоты. В качестве высокочастотных диодов используются точечные диоды, у которых площадь перехода мала, а следовательно, и емкость его тоже мала, на практике не более 1 пФ, диапазон же частот – сотни мегагерц. Выпрямленные же токи и мощность рассеивания малы. Если обратиться к эквивалентной схеме диода (см. рис. 1.21), то емкость диода CД Cзар. Cдиф. можно считать практически постоянной и равной

зарядной емкости при U=0 (т.к. такие диоды работают с весьма ма-

не инжектирующий неосновные носители в базу. В результате инерционность диодов с контактом металл – полупроводник определяется лишь барьерной (зарядной) емкостью, которая при точечном контакте весьма мала.

СВЧ-диоды также служат целям детектирования, выступают в роли видеодетекторов, т.е. выделяют огибающую (видеоимпульс) из импульса высокочастотных колебаний (радиоимпульс), используются как смесители, умножители и модуляторы благодаря нелинейности своей вольт-амперной характеристики. Здесь также широко применяются диоды Шоттки во всем диапазоне СВЧ, вплоть до миллиметровых и субмиллиметровых волн. Предельный диапазон работы СВЧ-диодов Шоттки доведен до 500ГГц.

1.5.7. Стабилитроны

Стабилитроны – это полупроводниковые диоды, напряжение на которых в области электрического пробоя при обратном смещении слабо зависит от тока в определенном диапазоне его изменения, предназначенные для стабилизации напряжения. В своей работе стабилитроны используют явления лавинного и туннельного пробоя. Поскольку лавинный пробой характерен для диодов, изготовленных на основе полупроводника с большой шириной запрещенной зоны, исходным материалом для стабилитронов служит кремний. Германий практически не применяется, т.к. в диодах, выполненных на его основе, электрический пробой быстро переходит в тепловой, т.е. диапазон по току оказывается сильно ограниченным.

Пробивное напряжение диода – напряжение стабилизации стабилитрона – зависит от толщины р-n-перехода и от удельного сопротивления базы диода, поэтому разные типы стабилитронов имеют различные напряжения стабилизации Uст. (от 3 до 400 В). Низковольтные стабилитроны изготавливают из сильнолегированного кремния (т.е. сопротивление базы мало). Поэтому в стабилитронах с напряжением стабилизации менее 6 В происходит туннельный пробой. Высоковольтные же стабилитроны используют слаболегированный кремний, поэтому их работа основана на лавинном пробое. Большинство стабилитронов – лавинные.

Кремниевые стабилитроны используются для стабилизации напряжения источников питания (параметрические стабилизато-

есть смена знака ст. происходит при напряжении электрического пробоя (5 6) В. Для уменьшения ст. применяют комбинацию подобранных р-n-переходов с противоположными по знаку температурными коэффициентами. Другим вариантом для лавинного пробоя является включение последовательно со стабилитроном, у которого ст. 0, прямосмещенного р-n-перехода, у которого, как известно, с ростом температуры падение напряжения уменьшается. В результате получают термокомпенсированные стабилитроны.

Выпускаются симметричные стабилитроны, они имеют два р-n-перехода и стабилизируют напряжение разной полярности. Применяются они для защиты различных элементов схем от перенапряжений обоих знаков. Конструктивно стабилитроны оформляются как обычные выпрямительные диоды.

Принцип стабилизации напряжения стабилитроном рассмотрен на рисунке 1.24, а. При увеличении входного напряжения Uвх. резко уменьшается сопротивление стабилитрона и резко увеличивается ток стабилитрона Iст.. В результате избыточное напряжение падает практически на сопротивлении гасящего резистора RГ, а напряжение на нагрузке, равное напряжению на стабилитроне, остается практически постоянным UН Uст. const, I Iст. IН .

1.5.8. Стабисторы

Стабисторы – это полупроводниковые диоды, использующие для стабилизации постоянного напряжения прямую ветвь вольтамперной характеристики. Для их изготовления применяют обычно кремний с достаточно большой концентрацией примеси с целью получения меньшего сопротивления базы диода и, соответственно, меньшего дифференциального сопротивления при прямом включении. Напряжение стабилизации, которое обеспечивают стабисторы, меньше по сравнению со стабилитронами, т.к. определяется оно прямым падением напряжения на диоде и для кремниевых стабисторов составляет порядка 0,7 В. Последовательное включение стабисторов позволяет получать удвоенное и утроенное значение

Естественно, что отрицательное дифференциальное сопротивление лавинно-пролетных диодов не наблюдается в статическом режиме. Изготавливаются такие диоды на основе германия, кремния и арсенида галлия.

1.5.10. Туннельные диоды

Туннельные диоды – это диоды, построенные на основе вырожденного полупроводника, в которых туннельный эффект приводит к появлению на вольт-амперной характеристике при прямом смещении участка отрицательной дифференциальной проводимости.

Создаются туннельные диоды на основе полупроводников с очень высокой концентрацией примесей (1018 10201см3 ). Благодаря высокой концентрации примесей происходит расщепление примесных энергетических уровней с образованием примесных энергетических зон, которые примыкают к зоне проводимости в n- области и к валентной зоне в р-области. Уровни Ферми примесей при этом оказываются расположенными в разрешенных зонах чистого полупроводника (соответственно в зоне проводимости для n-полупроводника и в валентной зоне для р-полупроводника). Такие примесные полупроводники называют «вырожденными». При создании р-n-переходов на основе вырожденных полупроводников ширина этих переходов оказывается весьма малой (около 10 2 мкм), на два порядка меньше, чем в обычных полупроводниковых диодах. Благодаря малости ширины р-n-перехода уже при небольших напряжениях возникает значительная напряженность электрического поля перехода (порядка 105 B/см).

Большая напряженность электрического поля, малая ширина р-n-перехода и переход уровней Ферми в разрешенные зоны являются необходимыми условиями для возникновения так называемого туннельного эффекта. Качественное представление о работе туннельного диода можно получить из рассмотрения его энергетических диаграмм при различных значениях напряжения внешнего источника (рис. 1.26).

Рис. 1.26

Для простоты предполагалось, что все разрешенные уровни, расположенные ниже уровня Ферми, заняты, а расположенные выше него – свободны. Кроме того, для свободного движения электронов через потенциальный барьер без дополнительно сообщенной им энергии необходимо, чтобы напротив занятого электроном уровня по одну сторону барьера имелся свободный уровень по другую его сторону. При отсутствии смещения (см. рис. 1.26, а) уровни Ферми в р- и n-полупроводниках совпадают, т.е. электроны проводимости n-слоя находятся на уровнях, соответствующих уровням валентных электронов р-слоя. При всех заполненных