4.2.4. Импульсные диоды

Импульсные диоды предназначены для работы в цепях с очень быстрым (импульсным) изменением тока по величине и по направлению. При быстром изменении напряжения (тока) на диоде ток (напряжение) через диод в соответствии со статической характеристикой (3.9) устанавливается не сразу, а через некоторое время, обусловленное инерционностью диода. Инерционность диода связана с конечной скоростью установления концентрации неравновесных носителей при внешнем смещении р-nперехода. Поэтому для импульсных диодов наряду с параметрами, определенными из статической вольт-амперной характеристики, вводят еще ряд параметров, характеризующих инерционность диода. Основные из них:

1. t_восст- время восстановления обратного сопротивления при переключении из прямого направления в обратное в моментt₁(рис.4.7). В начальный момент после переключенияU_aобратный ток намного больше установившегося (3.8) из-за высокой неравновесной концентрации неосновных носителей, оставшихся от прямого смещения. В течениеt_восст концентрация неосновных носителей уменьшается, а обратный ток достигает заданного значения (несколько большего, чем из (3.8), как показано на рис.4.7).

Рис. 4.7

Рис. 4.8

2. t_уст -время установления прямого сопротивления диода при переключении из обратного направления в прямое в моментt₁(рис.4.8). В начальный момент включения прямого тока величина прямого напряжения (сопротивления) наp-nпереходе больше, чем это следует из (3.7), так как концентрация инжектированных (неосновных) носителей еще мала. В течениеt_устконцентрация инжектированных носителей достигает величины, близкой к установившейся, а прямое напряжение (сопротивление) уменьшается до 1,1U_np , соответствующего статической вольт-амперной характеристике (3.7). Этот процесс еще характеризуют максимальным импульсным прямым напряжениемU_{np.имп.max}.

3. С_д -емкость диода при заданном смещении. ЧастоС_дизмеряется приU_обр= 5 В.

В табл. 4.4 приведены параметры некоторых импульсных диодов. Импульсные диоды выполняются точечными и плоскостными с малой площадью перехода.

Таблица 4.4

Параметры импульсных диодов

Тип диода	Iпр, мА	Uпр	Uпр.имп	Uобр	Iобр, мкА	tвосст, мкс	tуст, мкс	C (Uобр=5В), пФ
		В
Д18 Д219А КД503А	20 50 20	1 1 1	5,0 2,5 2,5	20 70 30	50 1 10	<0,1 0,5 0,01	<0,08 - -	0,5 15 5

По величине t_вост импульсные диоды подразделяются на :

• скоростные, или микросекундные 1мкс< t_вост <0,1мс

• сверхскоростные, или наносекундные t_вост <0,1мкс

4.2.5. Туннельные и обращенные диоды. Туннельный эффект. Туннельные диоды (тд)

Основой туннельного диода также является р-nпереход, однако среди других ТД занимает особое место. Его действие в рабочем диапазона основано на туннельном механизме протекания тока, а не на диффузионном, как у других диодов. В туннельном диодер-ппереход образован между двумя вырожденными областямир-ип-типа (т.е. с очень высокой концентрацией доноров и акцепторов – 10¹⁹см^-3и больше). Уровень Ферми вырожденных полупроводников находится внутри разрешенной зоны. Потенциальный барьер такого перехода близок к максимальному, а ширинар-пперехода мала - 0,01-0,02 мкм. Внутреннее электрическое поле перехода достигает критической величиныE_кр>10⁵В/см, при которой резко возрастает вероятность туннельного эффекта. При этом электроны могут переходить из одной области в другую, не преодолевая потенциального барьера, а просачиваясь сквозь него (туннелировать) благодаря волновым свойствам электрона. В вольт-амперной характеристике туннельного диода (рис.4.9) имеется область, обусловленная туннельным механизмом протекания тока - вся обратная ветвь и прямая ветвь до точки2. В этой области при малых смещениях (прямом и обратном) токи резко возрастают. Затем на прямой ветви достигается максимальное (пиковое) значениеI_n, после которого прямой ток падает (из-за уменьшения напряженностиEи уменьшения туннельного потока носителей).

Рис. 4.9

В точке 2(называемой впадиной) туннельный эффект практически исчезает и преобладающим становится диффузионный механизм протекания тока, вольт-амперная характеристика после точки2совпадает с прямой ветвью ВАХ обычного диода. Рабочей является часть прямой ветви в пределах 0U₃. Участок характеристикиU_п - U_в сотрицательным сопротивлением - важнейшая особенность туннельного диода. Туннельные диоды обладают высоким быстродействием (могут работать в СВЧ диапазоне), могут использоваться в широком диапазоне температур (германиевые – до +200 °С, арсенидгаллиевые - до +400 °С). В устройствах автоматики туннельные диоды применяются как быстродействующие переключающие элементы.

Таблица 4.5

Параметры туннельных диодов

Тип Диода	Материал	Пиковый ток I1, мА	IB, МА		U1, МВ	U2, В	Uз, В
ГИ 304А ГИ 305А АИ 301Г	Ge Ge GaAs	4,8 9,6 10	0,3 0,5 1,0	>5 >5 >8	< 75 < 85 180	0,250,35 0,250,350,40,5	> 0,44 > 0,45 > 0,8

Обращенный диод - это разновидность туннельного диода, у которого нет совсем тока I_пили он очень мал (I_п= 0,50,01 мА ).

ОД эффективно используются как пассивные элементы в радиотехнических устройствах – детекторы и смесители для работы при малом сигнале, а также как переключающие элементы для импульсных сигналов малой амплитуды.

Для получения обращенного диода используются рип. полупроводники с концентрацией примесей, меньшей, чем в туннельных диодах, но большей, чем в обычных выпрямительных. В ОД дно зоны проводимости (W_c)n– области совпадает с потоком валентной областиp– области (W_). Типовая ВАХ ОД приведена на рис. 4.11. Обратная ветвь ВАХ обращенного диода аналогична обратной ветви ВАХ туннельного (рис.4.9, 4.11). Поэтому обратные токи в обращенных диодах оказываются большими при ничтожно малых обратных напряжениях (десятки милливольт).

При прямых напряжениях до 0,81,0 В (GaAs) прямой ток через ОД почти не протекает.

Рис. 4.11

Таким образом, обращенные диоды обладают выпрямляющими свойствами, но пропускное (проводящее) направление у них соответствует обратному включению, а запирающее (непроводящее) - прямому включению. Другими словами, ВАХ обращенного диода повернута на 180 градусов относительно ВАХ выпрямительного диода (см. рис.3.7,б). Однако надо иметь в виду, что они могут эффективней работать на малых сигналах.

Например: при детектировании малых радиосигналов в дециметровом диапазоне радиоволн ОД обеспечивает чувствительность в 1020 раз выше, чем обычные диоды. В смесителях и детекторах ОД обеспечивает коэффициент шума меньше на 2030 дб, чем при использовании обычных диодов.