2.2.4 Импульсные диоды
Во многих современных радиоэлектронных устройствах полупроводниковые диоды часто работают в импульсном режиме (импульсных цепях) при длительности импульсов, равной единицам или долям микросекунды . От выпрямительных диодов они отличаются малыми емкостями p-n переходов (доли микроварад). Рассмотрим особенности этого режима на примере, когда диод соединен последовательно с нагрузкой, сопротивление которой Rн во много раз больше прямого сопротивления диода (Rн» Rпр )(Рисунок 2.24). Пусть такая цепь находится под действием импульсного напряжения, которое состоит из короткого импульса прямого напряжения (положительного импульса), отпирающего диод, и более длительного импульса обратного напряжения (отрицательного импульса), надежно запирающего диод до прихода следующего положительного импульса. Импульсы напряжения имеют прямоугольную форму (рисунок 2.24,а).
График тока, а следовательно, и пропорционального ему напряжения на показан для этого случая на рисунке 2.24,б. При прямом напряжении ток в цепи определяется сопротивлением Rн. Хотя прямое сопротивление диода нелинейно, но оно почти не влияет на ток, так как во много раз меньше Rн. Поэтому импульсы прямого тока почти не искажены. Некоторые сравнительно небольшие искажения могут наблюдаться только при очень коротких (длительностью в доли микросекунды) импульсах.
При перемене полярности напряжения, т. е. при подаче обратного напряжения, диод запирается не сразу, а в течение некоторого времени проходит импульс обратного тока (рисунок 2.24,6), значительно превосходящий по амплитуде обратный ток в установившемся режиме iобр. уст.
Рисунок 2.24 - Импульсный режим работы диода
Главная причина это разряд диффузионной емкости, т. е. рассасывание зарядов, образованных подвижными носителями в n- и р-областях. Поскольку концентрации примесей в этих областях обычно, весьма различны, то практически импульс обратного тока создается рассасыванием заряда, накопленного в базе, т. е. в области с относительно малой проводимостью. Например, если n-область является эмиттером, а р-область - базой, то при прямом токе можно пренебречь потоком дырок из р-области в n-область и рассматривать только поток электронов из n-области в р-область.
Этот диффузионный поток через переход вызывает накопление электронов в р-области, так как они не могут сразу рекомбинировать с дырками
или дойти до вывода от р-области. При перемене полярности напряжения накопленный в базе заряд начинает двигаться в обратном направлении и возникает импульс обратного тока. Чем больше был прямой ток, тем больше электронов накапливалось в базе и тем сильнее импульс обратного тока. Двигаясь от базы обратно в эмиттер, электроны частично рекомбинируют с дырками, а частично проходят через n-область до металлического вывода от этой области.
Исчезновение (рассасывание) заряда, накопленного в базе, длится некоторое время. К концу рассасывания обратный ток достигает своего установившегося, весьма малого, значения iобр уст Иначе можно сказать, что обратное сопротивление диода Rобр сначала оказывается сравнительно небольшим, а затем постепенно возрастает до своего нормального установившегося значения.
Время τвос от момента возникновения обратного тока до момента, когда он принимает установившееся значение, называют временем восстановления обратного сопротивления. Это время - важный параметр диодов, предназначенных для импульсной работы. У таких диодов τвос не превышает десятых долей микросекунды. Чем оно меньше, тем лучше: тогда диод быстрее запирается.
Вторая причина возникновения импульса обратного тока - заряд барьерной емкости диода под действием обратного напряжения. Зарядный ток этой емкости складывается с током рассасывания заряда, и в результате получается суммарный импульс обратного тока, который тем больше, чем больше емкость диода. Эта емкость у специальных диодов для импульсной работы не превышает единиц пикофарад.
Если импульс прямого тока имеет длительность значительно большую, чем длительность рассмотренных переходных процессов, то импульс обратного тока получается во много раз более коротким (рисунок 2.24, в) и его можно не принимать во внимание.
Уменьшение емкостей достигается за счёт уменьшения площадей p-n переходов. Для уменьшения τвос диоды изготавливают так, чтобы ёмкость перехода была малой и рекомбинация носителей происходила как можно быстрее. Допускаются мощности рассеяния у них невелики (30-40 мВт).
По способу создания р-n переходов импульсные диоды подразделяются на точечные, сплавные, меза- и планарно-диффузионные [7].
В быстродействующих импульсных цепях широко используются диоды Шотки. У этих диодов не затрачивается время на накопление и рассасывание зарядов в базе. ВАХ диодов Шотки напоминает характеристику диодов на основе p-n переходов. Отличие состоит в том, что прямая ветвь в пределах 8-10 декад приложенного напряжения (декада – изменение значения в 10 раз) представляет почти идеальную экспонициальную кривую, а обратные токи малы (доли-десятки нА[1]).
Диоды с накоплением заряда (ДНЗ)
В этом случае распределение концентрации примесей полупроводников будет неравномерным (рис. 2.25, а). Наличие градиентов концентраций носителей вблизи границ p-n-переходов вызывает встречное диффузионное и дрейфовое движение потоков носителей в пограничных с p-n-переходом областях' " полупроводниковой структуры, в результате чего возникает состояние равновесия с определенной напряженностью электрического поля:
E=
(2.2)
Рисунок 2.25 - Распределение примесей в базе ДНЗ (а) и переходный процесс в ДНЗ (б)
Прямое напряжение, поданное на диод, создает инжекцию дырок из р-области в n-базу диода. Однако из-за наличия внутреннего тормозящего поля в базе дырки не проникают в глубь области базы, а оказываются "прижатыми" непосредственно к границе перехода встроенным электрическим полем с напряженностью Е, формула (2.2). При обратном напряжении прижатые встроенным полем к границе перехода накопленные дырки намного быстрее экстрагируются р-n-переходом, чем при отсутствии внутреннего поля, и создают большой обратный ток, величина которого ограничивается сопротивлением нагрузки. При этом время восстановления уменьшается в 30—50 раз. Время жизни неравновесных носителей в базе делается достаточно большим, чтобы "удержать" заряд, накопленный за время действия импульса прямой полярности. Это явление позволяет формировать импульсы с очень короткими задними фронтами (рисунок 2.25, 6). К импульсным ДНЗ предъявляют такие же требования, как и к обычным: минимальная величина сопротивления базы и малая емкость p-n-перехода. Эффектом резкого восстановления обратного сопротивления обладают в той или иной степени все полупроводниковые диоды, у которых переход получен методом диффузии примесей, например диоды ДЗ12, 1А401А и ряд других.
Большинство конструкций импульсных диодов имеет металлостеклянный или стеклянный корпус.
На рисунке 2.26 показана конструкция германиевых импульсных микросплавных диодов 1Д508А, ГД508А, ГД508Б, предназначенных для применения в сверхбыстрых действующих формирователях импульсов. Выпускаются диоды в стеклянном корпусе. Масса диода не более 0,2 г.
Рисунок 2.26 - Конструкция германиевых импульсных микросплавных диодов 1Д508А, ГД508А, ГД508Б
На рисунке 2.27 показана конструкция кремниевого диффузионного импульсного диода КД805А, предназначенного для применения в импульсных схемах. Выпускаются диоды в металлическом корпусе с гибкими выводами. Диод обозначается на корпусе продольной полосой красного цвта. Масса диода не более 0,15 г.
Рисунок 2.27 - Конструкция кремниевого диффузионного импульсного диода КД805А
Импульсные диоды обладают следующими основными параметрами:
Общая ёмкость диода Сд (доли nФ – несколько пФ)
Максимальная импульсное прямое напряжение Uпр и max (единицы В)
Максимально допустимый импульсный ток Iпр и max (сотни mA)
Время установления прямого напряжения tуст – время от момента подачи импульса прямого тока до достижения заданного значения прямого напряжения на нём (доли нс – доли мкс). Это время Зависит от скорости движения внутрь базы инпретированных через переход неосновных носителей, в результате которого наблюдается уменьшене её сопротивления.
Время восстановления обратного сопротивления диода tвост (τвост.)
Изготовление р-n-переходов методом диффузии примесей значительно улучшает параметр tвост.