2.4.2 Импульсные диоды

При быстрых изменениях напряжения на диоде в р – nпереходе возникают переходные процессы, обусловленные двумя основными процессами. Первое – это накопление неосновных носителей в базе диода при его прямом включении. При смене напряжения на обратное или при его уменьшении рассасывание этого заряда не может происходить мгновенно, на это требуется определенное время. Поскольку электрическое поле в базе диода невелико, то движение неосновных носителей в базе определяется законами диффузии, т.е. медленно. Второе явление – это перезарядка барьерной емкости, которая тоже происходит не мгновенно, а характеризуется постоянной времени, где- дифференциальное сопротивление диода (сопротивление по переменному току), а- дифференциальная емкость р –nперехода.

Первое явление играет основную роль при больших плотностях прямого тока через диод, перегрузка барьерной емкости в этом случае играет второстепенную роль. При малых плотностях тока переходные процессы в диоде определяются вторым явлением, а второстепенную роль играет уже накопление неосновных носителей заряда в базе.

Импульсный диод – это диод с малой длительностью переходных процессов, предназначенный для применения в импульсных режимах работы. Они применяются в качестве коммутирующих элементов (например, в ЭВМ), для детектирования высокочастотных сигналов и для других целей.

Условия работы импульсных диодов обычно соответствуют высокому уровню инжекции, т.е. относительно большим прямым токам. Поэтому при переключении диода с прямого направления на обратное в начальный момент через диод идет большой обратный ток (рис.6), ограниченный в основном объемным сопротивлением базы. Со временем накопленные в базе неосновные носители рекомбинируют или уходят через р –nпереход и обратный ток уменьшается до своего стационарного значения. Весь этот процесс занимаетвремя восстановления обратного сопротивления t_вос– интервал времени от момента прохождения тока через нуль после переключения диода до момента достижения обратным током заданного низкого значения. Это один из основных параметров импульсных диодов, и по его значению они делятся на шесть групп:t_вос>500 нс (1 нс=10^-9с);t_вос=150…500 нс; t_вос=30…150 нс,t_вос=5…30 нс;t_вос=1…5 нс иt_вос<1 нс.

При пропускании импульса тока в прямом направлении наблюдается выброс напряжения в первый момент после включения (рис.7), что связано с повышенным напряжением до тех пор, пока не закончится накопление неосновных носителей в базе диода. После этого сопротивление базы понижается и напряжение уменьшается. Этот процесс характеризуется вторым параметром импульсного диода –временем установления прямого напряжения t_уст, равным интервалу времени от начала импульса тока до достижения заданного значения прямого напряжения.

Значения этих параметров зависит от структуры диода и от времени жизни неосновных носителей заряда в базе диода. Для уменьшения времени жизни неосновных носителей в базу вводится небольшое количество примеси золота. Она создает в запрещенной зоне примесные энергетические уровни, которые способствуют ускорению процессов рекомбинации и, следовательно, ускоряют процесс рассасывания неосновных носителей. Уменьшение барьерной емкости достигается технологическим и конструктивным методами. Одной из первых была разработана конструкция точечного диода. Он представляет собой кристалл германия, укрепленный на кристаллодержателе, к поверхности которого подведен упругий контактный электрод из тонкой проволоки. Все это помещено в стеклянный баллон. При пропускании импульса тока происходит приварка проволоки к полупроводнику с образованием полусферического р – nперехода радиусом около 20 мкм. Площадь и емкость такого р –nперехода значительно меньше, чем плоскостного.

В связи с существенными недостатками точечных диодов они практически полностью вытеснены импульсными диодами, изготовленными по современным методам формирования р – nпереходов на основе планарной технологии, эпитаксиального наращивания, ионно-лучевой технологии. Основным полупроводниковым материалом при этом служит кремний.