4. Импульсные диоды

Импульсным диодом называют полупроводниковый диод, ко­торый имеет очень малую длительность переходных процессов при переключении с прямого напряжения на обратное (и наобо­рот) и предназначен для работы в импульсных схемах в качестве электронного ключа.

Принцип действия импульсного диода поясняют схема его включения и временные диаграммы напряжения и тока в мо­мент переключения из открытого состояния в закрытое (рис. 1.19). Диод включается последовательно с нагрузкой в цепь источника импульсного напряжения (рис. 1.19,а). Положительный импульс, являясь для диода прямым напряжением, снижает его сопротив­ление до величины /?_пр, и в цепи через нагрузку протекает ток. Это равносильно замыканию ключа. При перемене полярности импульса на отрицательную диод находится под обратным напря­жением. Его сопротивление резко возрастает до величины R₀б_Р, цепь размыкается, и ток через нагрузку практически не протека­ет. Поскольку длительность импульсов очень мала, переход дио­да из открытого состояния в закрытое и обратно должен проис­ходить мгновенно. Но этому препятствует инерционность процес­сов накопления и рассасывания инжектированных в базу п-типа неосновных для нее носителей заряда — дырок.

Например, на диоде действует прямое напряжение; сопро­

тивление его R„_p мало. Из p-области через р-п переход инжекти­руются в /i-область дырки; в результате этого их концентрация в «-области у границы возрастает. В момент переключения на­пряжения на обратное это скопление дырок под действием элект­рического поля, созданного обратным напряжением, начнет пере­брасываться обратно в p-область; за счет этого возникает им­пульсный скачок обратного тока (рис. 19,6). Постепенно кон­центрация дырок в «-области будет убывать частично за счет

		t

•вое.обр

-Й—

	u пр
	0
	иобр
	1 пр
	О
Рис. 1.19. Схема включе­ния (а) и временные диа­граммы при переключении импульсного диода с пря­мого на обратное напря­жение (б)	'обр

их перехода в p-область, а частично за счет рекомбинации в п- области с электронами; в результате этого обратный ток станет уменьшаться до заданного нормального значения. Быстродейст­вие этого процесса характеризуется параметром, который назы­вают временем обратного восстановления диода 4ос.о«_Р. Это время переключения диода с заданного прямого тока на заданное обратное напряжение от момента прохождения тока через нуле­вое значение до момента, когда обратный ток, уменьшаясь от максимального импульсного значения, достигнет заданной вели­чины.

При переключении обратного напряжения на прямое пере­ходный процесс также происходит не мгновенно, а требует не­которого времени. В момент переключения сопротивления диода

/?_обр еще велико, следовательно, велико и напряжение на диоде, а ток диффузии мал. Постепенно диффузия нарастает, инжек­тированные в /i-область дырки накапливаются в ней, сопротив­ление диода уменьшается до установившегося значения /?_пр, а ток увеличивается до заданного прямого тока. Время, в течение ко­торого происходит включение диода и прямое напряжение на нем устанавливается от нуля до заданного установившегося зна­чения, называют временем прямого восстановления диода 4ос._ПР- Кроме инерционности процессов накопления и рассасывания инжектированных носителей заряда на быстродействие импульс -

Металл © © © © ее	.Полупроводнин , п-типа + +1 ++I «-© 1
Электроны

Обедненный

слой

'пр

(-)

<+)

U обр

Рис. 1.20. Структура контакта металл — полупроводник л-типа

ных диодов оказывает влияние емкость р-п перехода. Для умень­шения длительности переходных процессов эта емкость не долж­на превышать долей пикофарады. Уменьшение емкости достига­ется за счет изготовления р-п переходов с очень малой пло­щадью. Следствием этого является небольшая мощность рассея­ния (десятки милливатт). Повышение быстродействия путем ускорения рекомбинации инжектированных в /г-базу дырок осу­ществляется введением в n-область примеси золота; его атомы создают так называемые ловушки для носителей заряда, где происходит интенсивная их рекомбинация.

Другой путь достижения высокого быстродействия — это при­менение диодов Шоттки, изготовленных на основе электрического перехода металл-полупроводник. Рассмотрим его свойства на примере контакта металла с полупроводником n-типа (рис. 1.20). Свободные электроны могут выйти за пределы металла или полу­проводника, только преодолев силы притяжения к положитель­ным ионам кристаллической решетки. Затраченная на это работа совершается электроном за счет сообщения ему дополнительной энергии (например, тепловой) и называется работой выхода Wo- Если работа выхода из металла №о_м больше, чем из полупровод­ника UPon, то при образовании контакта металл-полупроводник свободные электроны из «-полупроводника начнут под действием

больших сил притяжения переходить в металл, заряжая его от­рицательно. В полупроводнике около контакта создается слой, обедненный основными носителями заряда и имеющий в резуль­тате этого большое удельное сопротивление. В этом слое высту­пят нескомпенсированные положительные заряды ионов доно­ров. Между отрицательным зарядом металла и положительным зарядом доноров на границе создается внутреннее электрическое поле и образуется потенциальный барьер, называемый барьером Шоттки (по имени ученого, обнаружившего эти свойства кон­такта). Он препятствует дальнейшему переходу электронов из полупроводника /г-типа в металл.

Если подвести внешнее напряжение плюсом к металлу, а ми­нусом к полупроводнику, то внешнее электрическое поле будет направлено навстречу внутреннему, потенциальный барьер сни­зится, ширина обедненного слоя и его сопротивление уменьшат­ся, через контакт потечет большой прямой ток. При обратном включении внешнего источника потенциальный барьер возрастет, ширина и сопротивление обедненного слоя увеличатся, а в цепи потечет малый обратный ток. Таким образом, контакт металл— полупроводник в случае полупроводника п-типа и при условии Ц^ом > Won будет выпрямляющим.

Импульсный диод с барьером Шоттки имеет значительно меньшую длительность переходных процессов, чем диод с р-п пе­реходом, так как в нем нет инжекции неоновых носителей заряда в базу, поэтому не затрачивается время на накопление и расса­сывание зарядов. На его быстродействие влияет только барьер­ная емкость.

К параметрам импульсных диодов помимо общих для всех диодов параметров относятся прямое импульсное напряжение при заданном импульсе прямого тока и максимально допусти­мый импульсный прямой ток при заданной длительности /„_р._Имакс, а также время прямого восстановления 4ос._1ф и обратного вос­становления 4ос„бр-

5. Туннельные диоды

.

Туннельным диодом называют полупроводниковый диод, ос­нованный на туннельном эффекте, при котором прямая ветвь вольт-амперной характеристики имеет падающий участок с от­рицательным сопротивлением (рис. 1.21). Благодаря этому свой­ству туннельный диод может быть использован для усиления и генерирования электрических колебаний. О возникновении тун­нельного эффекта было сказано при рассмотрении механизма туннельного пробоя. Для получения этого эффекта необходимо, чтобы энергетические диаграммы полупроводников р- и п-типа сдвигались по вертикали относительно друг друга в слое р-п пе­

рехода (см. рис. 1.11,в). В результате этого энергетические зоны p-области располагаются выше соответствующих зон «-об­ласти, так что нижняя часть зоны проводимости «-области и верхняя часть валентной зоны p-области по горизонтали находят­ся на одном уровне и разделены очень узкой запрещенной зоной. При этом носители заряда легко могут переходить из валентной зоны p-области в зону проводимости «-области и обратно. Чтобы создать туннельный эффект, значительно увеличивают концентрацию примесей в р- и «-областях, за счет чего возрас­тает электропроводность полупроводников.

К

Рис. 1.21. Условное графическое обозначение (а) и вольт-ампер- ная характеристика (б) туннель­ного диода

При определенном начальном сдвиге энергетических диа­грамм р- и «-областей без подачи внешнего напряжения встречные потоки электронов из обеих областей уравновешива­ют друг друга; тока нет. При небольшом прямом напряжении энергетическая диаграмма p-области опускается ниже, часть валентных электронов p-области оказывается против запрещен­ной зоны «-области и не может в нее перейти. Поэтому равно­весие нарушается, больше электронов переходит из «-области в p-область, появляется туннельный прямой ток, который при уве­личении и_пр до некоторого значения растет (участок вольт-ам- перной характеристики 0—/). В точке / ток достигает максиму­ма и называется пиковым током туннельного диода /_п. С даль­нейшим увеличением U„_p и сдвигом вниз диаграммы р-области туннельный ток уменьшается (участок /—2), так как все меньше электронов зоны проводимости «-области находится против ва­лентной зоны p-области и все больше этих электронов оказыва­ется против запрещенной зоны p-области. В точке 2 ток достига­ет минимума и называется током впадины /_в. Падающий участок /—2 характеризуется отрицательным дифференциальным сопро­тивленцем г_ДИф = ДЦф/А/пр < 0, означающим, что увеличению прямого напряжения соответствует уменьшение прямого тока.

В точке 2 туннельный эффект исчезает, так как запрещенные

зоны обеих областей располагаются на одном уровне и слива­ются в одну сквозную зону. Дальнейшее увеличение прямого напряжения приводит к росту прямого тока за счет диффузии основных носителей заряда, преодолевающих снижающийся по­тенциальный барьер, как в обычном диоде (участок 2—3).

Основными параметрами туннельных диодов являются: пико­вый ток /_п; напряжение пика U„, соответствующее пиковому току; ток впадины /_в и соответствующее ему напряжение впадины U_B\ напряжение раствора U_pp — прямое напряжение, большее напря­жения впадины, при котором ток равен пиковому на второй вос­ходящей ветви характеристики. Предельными параметрами явля­ются: максимально допустимый постоянный прямой ток на второй восходящей ветви /_прмакс; максимально допустимый постоянный обратный ток /обр.макс; максимальное постоянное прямое напря­жение Ермаке- Емкость С_д туннельного диода очень мала.

Туннельные диоды изготовляются из германия или арсенида галлия. Они могут использоваться как переключающие в цепях сверхвысокого быстродействия, а также для усиления и генери­рования СВЧ-колеб&ний, так как их инерционность очень мала из-за отсутствия инжекции носителей заряда при туннельном эффекте.