Импульсный диод - это диод с малой длительностью переходных процессов, предназначенный для применения в импульсных режимах работы. Они применяются в качестве коммутирующих элементов, для детектирования высокочастотных сигналов и для других целей. При быстрых изменениях напряжения на диоде в pn- переходе возникают переходные процессы, обусловленные двумя основными процессами. Первое - это накопление неосновных носителей в базе диода при его прямом включении, т.е. заряд диффузионной емкости. А при смене напряжения на обратное (или при его уменьшении) - рассасывание этого заряда. Второе явление - это перезарядка барьерной емкости, которая тоже происходит не мгновенно, а характеризуется постоянной времени t=rd*Cbar, где rd - дифференциальное сопротивление диода (сопротивление по переменному току), а Cbar - барьерная емкость pn- перехода. Первое явление играет основную роль при больших плотностях прямого тока через диод, заряд 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.

Рассмотрим процесс переключения диода из состояния высокой проводимости (диод открыт) в состояние низкой проводимости (диод закрыт) При приложении прямого напряжения возникает значительный прямой ток, что приводит к накоплению неосновных носителей заряда в области базы (это высокоомная n - область). При переключении диода с прямого направления на обратное в начальный момент через диод идет большой обратный ток, ограниченный, в основном, объемным сопротивлением базы. Со временем накопленные в базе неосновных носители рекомбинируют или уходят через pn- переход, и обратный ток уменьшается до своего стационарного значения. Весь этот процесс занимает время восстановления обратного сопротивления tgoc- 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: tboc >500 нс; tboc =150…500 нс; tboc =30…150 нс, tboc =5…30 нс; tboc =1…5 нс и tboc <1 нс.

Рисунок 1.11 - Процесс переключения диода из открытого состояния в закрытое

При пропускании импульса тока в прямом направлении наблюдается выброс напряжения в первый момент после включения (рисунок 1.12), что связано с повышением напряжением до тех пор, пока не закончится накопление неосновных носителей в базе диода. После этого сопротивление базы понижается и напряжение уменьшается.

Рисунок 1.12 Процесс переключения диода из закрытого состояния в открытое

Значения этих параметров зависят 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. Атомы золота служат дополнительными центрами рекомбинации, в результате их введения уменьшается время жизни носителей заряда, а следовательно, и диффузионная емкость pn- перехода. Уменьшение барьерной емкости достигается технологическим и конструктивным методами. Импульсные диоды изготавливаются на основе планарной технологии, эпитаксиального наращивания, ионно-лучевой технологии. Основным полупроводниковым материалом при этом служит кремний. В быстродействующих импульсных цепях широко используют диоды Шотки, в которых переход выполнен на основе контакта металл-полупроводник. Условное обозначение показано на рис.

Рисунок - Условное обозначение диода Шотки

У этих диодов не затрачивается время на накопление и рассасывание зарядов в базе, их быстродействие зависит только от скорости процесса перезарядки барьерной емкости. Вольтамперная характеристика диодов Шотки напоминает характеристику диодов на основе pn - переходов. Отличие состоит в том, что прямая ветвь в пределах 8 - 10 декад приложенного напряжения представляет почти идеальную экспоненциальную кривую, а обратные токи - малы (доли-десятки наноампер). Конструктивно диоды Шотки выполняют в виде пластины низкоомного кремния, на которую нанесена высокоомная эпитаксиальная пленка с электропроводностью того же типа. На поверхность пленки вакуумным напылением нанесен слой металла. Диоды Шотки применяют также в выпрямителях больших токов и в логарифмирующих устройствах.

Правила по оформлению Вопросов на ГОСы 2012 (ЕС-08):

1. Оформлять в формате.doc (Word2003); в крайнем случае - .docx (Word2007/2010).

2. Установить в файле на листе поля 0.7 см на каждую сторону, ориентация книжная.

3. Должны чётко выделяться абзацы, примерно 1см (Формат\Абзац\Первая строка: Отступ, 1см)

4. Текст упорядочить по ширине, картинки - по центру.

5. ВЕСЬ текст должен быть 14 шрифтом Times New Roman (без уплотнения или разрежения шрифта).

6. Междустрочный интервал – Одинарный, можно варьировать от 0.9 до 1.2 для заполнения страницы (Одинарный = Точно: 16пт).

7. Каждый вопрос желательно должен занимать 1 или 2 страницы текста (с картинками или без), но НЕ БОЛЕЕ 3 (трёх) страниц (если большие картинки).

8. КАЖДЫЙ вопрос должен начинаться с новой страницы, используйте Ctrl + Enter для перехода на новую страницу в Word.

9. Название вопроса с номером выделяется жирным с подчёркиванием, 14 шрифт.

10. В теле вопроса нужные слова (определения) можно выделять жирным, но НЕ курсивом и НЕ подчёркнутым и НЕ РеГиСтРоМ.

11. Вопрос желательно должен занимать оптимальное место на странице, т.е. заполнять страницу полностью. Для этого можно варьировать междустрочный интервал от 0.9 до 1.2 (исходя из установки Одинарный).

12. Обозначения (буквы, символы) на картинке желательно должны быть 14 размера (т.е. как текст в теле вопроса), но НЕ МЕНЬШЕ, чем в 2 раза меньше от 14 размера шрифта.

13. Каждая картинка (рисунок) должна быть подписана.

14. Цвет картинок не играет роли, если в тексте нет привязки к цвету.

15. Картинки должны быть чёткими, иметь читабельные обозначения.

16. Для всех картинок в меню «Обтекание текстом» выбрать «В тексте», в редких случаях (маленький или сильно вытянутый по вертикали рисунок) можно «Вокруг рамки» и придвинуть картинку к левому или правому полю листа.

17. В редких случаях допускается не подписывать название картинки (если маленькая, напр. УГО диода, etc.).

18. Картинка может содержать название рисунка (рис.2.12, последняя страница)

19. Не надо вставлять номера страниц на листы.

20. Тематика найденного материала должна абсолютно совпадать с названием вопроса, много воды лить не надо.

Все пункты правил имеют практическую пользу, неоднократно проверялись и являются обязательными; позволят продуктивно редактировать, а в последствии и скатывать собранный нами материал. (подробности? – в личку) by ZX

1.10 Импульсные диоды

Импульсный диод – это полупроводниковый диод, имеющий малую длительность переходных процессов и предназначенный для применения в импульсных режимах работы.

Импульсные режимы – это такие режимы, когда диоды переключаются с прямого напряжения на обратное через короткие промежутки времени, порядка долей микросекунды, при этом важную роль играют здесь переходные процессы. Основное назначение импульсных диодов – работа в качестве коммутирующих элементов. Условия работы импульсных диодов обычно соответствует высокому уровню инжекции, т. е. относительно большим прямым токам. Вследствие этого свойства и параметры импульсных диодов определяются переходными процессами.

Одной из первых была разработана конструкция точечного импульсного диода (рис. 2.11). Точечный диод состоит из кристалла германия, припаянного к кристаллодержателю, контактного электрода в виде тонкой проволоки и стеклянного баллона. Особенностью точечных диодов является большое сопротивление базы, что приводит к увеличению прямого напряжения на диоде.

Рис. 2.11. Конструкция импульсного диода:

1 – кристалл полупроводника; 2 – кристаллодержатель; 3 – припой; 4 – контактная пружина;5 – стеклянный корпус; 6 – коваровая трубка; 7 – внешние выводы

В связи с недостатками точечных диодов они практически полностью вытеснены импульсными диодами, производство которых основано на современных производительных и контролируемых методах формирования p-n-переходов (планарной технологии, эпитаксиального наращивания). Основным исходным полупроводниковым материалом при этом служит кремний, а иногда арсенид галлия.

Для ускорения переходных процессов в кремниевых импульсных диодах и для уменьшения значения времени восстановления обратного сопротивления этих диодов в исходный кремний вводят примесь золота. Эта примесь обеспечивает появление в запрещенной зоне кремния энергетических уровней рекомбинационных ловушек и уменьшение времени жизни неосновных носителей.

В настоящее время большинство конструкций имеет металлокерамический, металлостеклянный или металлический корпус с ленточными выводами.

Рассмотрим процесс переключения такого диода при воздействии на него прямоугольного импульса (рис. 2.12).

При прямом напряжении на участке происходит инжекция носителей из эмиттерной области в базовую и их накопление там. При смене полярности напряжения на обратную в первый момент величина обратного тока будет значительна, а обратное сопротивление диода резко уменьшится, так как накопленные в базе неосновные носители под действием изменившегося направления напряженности электрического поля начнут двигаться в сторону p-n-перехода, образуя импульс обратного тока. По мере перехода их в эмиттерную область, их количество уменьшится и через некоторое время обратный ток достигнет нормального установившегося значения, а сопротивление диода в обратном направлении восстановится до нормальной величины.

Рис. 2.12. Переходные процессы в импульсном диоде

Процесс уменьшения накопленного заряда в базе называется рассасыванием, а время, в течение которого обратный ток изменяется от максимального значения до установившегося, называется временем восстановления обратного сопротивления. Время восстановления обратного сопротивления – один из важнейших параметров импульсных диодов. Чем оно меньше, тем диод лучше. Для улучшения свойств импульсных диодов исходный полупроводник выбирают с малым временем жизни носителей заряда (для более интенсивного процесса рекомбинации в базе), а сам p-n-переход делают с малой площадью, чтобы снизить величину барьерной емкости перехода.

Выводы:

Импульсные диоды работают в режиме электронного ключа.

Длительность импульсов может быть очень мала, поэтому диод должен очень быстро переходить из одного состояния в другое.

Основным параметром, характеризующим быстродействие импульсных диодов является время восстановления обратного сопротивления.

Для уменьшения используют специальные меры, ускоряющие процесс рассасывания неосновных носителей заряда в базе.

Требованиям, предъявляемым к импульсным диодам, хорошо удовлетворяют диоды на основе барьера Шоттки, которые имеют очень малую инерционность благодаря отсутствию инжекции и накопления неосновных носителей заряда в базе.

Универсальные и импульсные диоды

Универсальные (высокочастотные ) диоды применяются для преобразования высокочастотных сигналов. Импульсные полупроводниковые диоды предназначены преимущественно для работы в и им­пульсных режимах (преобразования импульсных сигналов). Эти диоды характеризуются мини­мальными значениями реактивных параметров, что достигается благо­даря специальным конструктивно-технологическим мерам.

Одна из основных причин инерционности полупроводниковых диодов связана с диффузионной емкостью (см. § 3.7, 3.8). Для уменьшения времени жизни используется легирование материала (например, золотом), что создает много ловушечных уровней в за­прещенной зоне, увеличивающих скорость рекомбинации.

Разновидностью универсальных диодов является диод с корот­кой базой . В таком диоде протяженность базы меньше диффузион­ной длины неосновных носителей. Следовательно, диффузионная емкость будет определяться не временем жизни неосновных носи­телей в базе, а фактическим меньшим временем нахождения (вре­менем пролета). Однако осуществить уменьшение толщины базы при большой площади р-n-перехода технологически очень сложно. Поэтому изготовляемые диоды с короткой базой при малой площа­ди являются маломощными.

В настоящее время широко применяются диоды с p-i-n-структурой , в которой две сильнолегированные области р- и n-типа разде­лены достаточно широкой областью с проводимостью, близкой к собственной (i-область). Заряды донорных и акцепторных ионов расположены вблизи границ i -области. Распределение электричес­кого поля в ней в идеальном случае можно считать однородным (в отличие от обычного p-n-перехода). Таким образом, i -область с низ­кой концентрацией носителей заряда, но обладающей диэлектриче­ской проницаемостью можно принять за конденсатор, «обкладками» которого являются узкие (из-за большой концентрации носителей в р - и n -областях) слои зарядов доноров и акцепторов. Барьерная ем­кость p-i-n -диода определяется размерами i -слоя и при достаточно широкой i-области от приложенного постоянного напряжения прак­тически не зависит.

Особенность работы р-i-n -диода состоит в том, что при прямом напряжении одновременно происходит инжекция дырок из p-области и электронов из n-области в i-область. При этом его прямое со­противление резко падает. При обратном напряжении происходит экстракция носителей из i -области в соседние области. Уменьшение концентрации приводит к дополнительному возрастанию сопротив­ления i-области по сравнению с равновесным состоянием. Поэтому для p-i-n -диода характерно очень большое отношение прямого и об­ратного сопротивлений, что важно при использовании их в переклю­чательных режимах.

В качестве высокочастотных универсальных диодов использу­ются структуры с барьерами Шотки и Мотта. В этих приборах про­цессы прямой проводимости определяются только основными носи­телями заряда. Таким образом, у рассматриваемых диодов отсутст­вует диффузионная емкость, связанная с накоплением и рассасы­ванием носителей заряда в базе, что и определяет их хорошие вы­сокочастотные свойства.

Отличие барьера Мотта от барьера Шотки состоит в том, что тон­кий i-слой создан между металлом М и сильно легированным полу­проводником , так что получается структура M-i-n. В высокоомном i -слое падает все приложенное к диоду напряжение, поэтому толщи­на обедненного слоя в -области очень мала и не зависит от напря­жения. И поэтому барьерная емкость практически не зависит от на­пряжения и сопротивления базы.

Наибольшую рабочую частоту имеют диоды с барьером Мотта и Шотки, которые в отличие от р-n-перехода почти не накаплива­ют неосновных носителей заряда в базе диода при прохождении прямого тока и поэтому имеют малое время восстановления (около 100 пс).

Разновидностью импульсных диодов являются диоды с накоп­лением заряда (ДНЗ) или диоды с резким восстановлением обрат­ного тока (сопротивления). Импульс обратного тока в этих диодах имеет почти прямоугольную форму (рис. 4.2). При этом значение может быть значительным, но должно быть чрезвычайно малым для использования ДНЗ в быстродействующих импульсных устройствах.

Получение малой длительности связано с созданием внутреннего поля в базе около обедненного слоя р-n-перехода путем неравномерного распре­деления примеси. Это поле является тормозящим для носителей, пришед­ших через обедненный слой при пря­мом напряжении, и поэтому препятст­вует уходу инжектированных носителей от границы обедненного слоя, заставляя их компактнее концентрироваться вблизи грани­цы. При подаче на диод обратного напряжения (как и в обычном диоде) происходит рассасывание накопленного в базе заряда, но при этом внутреннее электрическое поле уже будет способство­вать дрейфу неосновных носителей к обедненному слою перехо­да. В момент , когда концентрация избыточных носителей на границах перехода спадает до нуля, оставшийся избыточный за­ряд неосновных носителей в базе становится очень малым, а, следовательно, оказывается малым и время спадания обратно­го тока до значения .

Варикапы

Варикапом называется полупроводниковый диод, используе­мый в качестве электрически управляемой емкости с достаточно высокой добротностью в диапазоне рабочих частот. В нем исполь­зуется свойство р-n- перехода изменять барьерную емкость под действием внешнего напряжения.

Значение добротности варикапа на низких частотах ;

на высоких частотах –

Температурный коэффициент емкости , где DТ и D – изменения температуры и емкости варикапа.

Для увеличения добротности варикапа используют барьер Шотки; эти варикапы имеют малое сопротивление потерь, так как в качестве одного из слоев диода используется металл.

Добротность колебательной системы характеристика резонансных свойств системы, показывающая, во сколько раз амплитуда вынужденных колебаний при резонансе превышает амплитуду при его отсутствии. Чем выше добротность колебательной системы, тем меньше потери энергии в ней за период.

Основное применение варикапов – электрическая перестройка частоты колебательных контуров. Зависимость его емкости от напряжения отражает вольт-фарадная характеристика, подобная зависимости барьерной емкости p-n -перехода от приложенного к нему обратного напряжения. В настоящее время существует несколько разновидностей варикапов, применяемых в различных устройствах непрерывного действия. Это параметрические диоды, предназначенные для усиления и генерации СВЧ-сигналов, и ум-ножительные диоды, предназначенные для умножения частоты в широком диапазоне частот. Иногда в умножительных диодах ис­пользуется и диффузионная емкость.

Краткая справка

Используемое свойство перехода

• Выпрямительный - асимметрия вольт-амперной характеристики
• Стабилитрон - пробой
• Варикап - барьерная ёмкость
• Импульсный - переходные процессы

Выпрямительные диоды

Описание работы

Варикапы

Описание работы

Стабилитроны

Импульсные диоды

В заключении

Импульсный диод – это полупроводниковый диод, имеющий малую длительность переходных процессов и предназначенный для применения в импульсных режимах работы.

Импульсные режимы – это такие режимы, когда диоды переключаются с прямого напряжения на обратное, через короткие промежутки времени порядка долей микросекунды при этом важную роль играют здесь переходные процессы. Основное назначение импульсных диодов – работа в качестве коммутирующих элементов. Условия работы импульсных диодов обычно соответствуют высокому уровню инжекции, т.е. относительно большим прямым токам. Вследствие этого свойства и параметры импульсных диодов определяются переходными процессами.

Одной из первых была разработана конструкция точечного импульсного диода (рис. 2.11). Точечный диод состоит из кристалла германия, припаянного к кристаллодержателю, контактного электрода в виде тонкой проволоки и стеклянного баллона. Особенностью точечных диодов является большое сопротивление базы, что приводит к увеличению прямого напряжения на диоде.

В связи с недостатками точечных диодов они практически полностью вытеснены импульсными диодами, производство которых основано на современных производительных и контролируемых методах формирования p–n -переходов (планарной технологии, эпитаксиального наращивания). Основным исходным полупроводниковым материалом при этом служит кремний, а иногда арсенид галлия.

Для ускорения переходных процессов в кремниевых импульсных диодах и для уменьшения значения времени восстановления обратного сопротивления этих диодов в исходный кремний вводят примесь золота. Эта примесь обеспечивает появление в запрещенной зоне кремния энергетических уровней рекомбинационных ловушек и уменьшение времени жизни неосновных носителей.

В настоящее время большинство конструкций имеет металлокерамический, металлостеклянный или металлический корпус с ленточными выводами.

Рассмотрим процесс переключения такого диода при воздействии на него прямоугольного импульса (рис. 2.12).

При прямом напряжении на участке 0…t 1 происходит инжекция носителей из эмиттерной области в базовую и их накопление там. При смене полярности напряжения на обратную в первый момент величина обратного тока будет значительна, а обратное сопротивление диода резко уменьшится, так как накопленные в базе неосновные носители под действием изменившегося направления напряженности электрического поля начнут двигаться в сторону p–n -перехода, образуя импульс обратного тока. По мере перехода их в эмиттерную область, их количество уменьшится и через некоторое время обратный ток достигнет нормального установившегося значения, а сопротивление диода в обратном направлении восстановится до нормальной величины.

Процесс уменьшения накопленного заряда в базе называется рассасыванием, а время, в течение которого обратный ток изменяется от максимального значения до установившегося, называется нем восстановления обратного сопротивления . Время восстановления обратного сопротивления – один из важнейших параметров импульсных диодов. Чем оно меньше, тем диод лучше. Для улучшения свойств импульсных диодов исходный полупроводник выбирают с малым временем жизни носителей заряда (для более интенсивного процесса рекомбинации в базе), а сам p–n -переход делают с малой площадью, чтобы снизить величину барьерной ёмкости перехода .

Выводы:

1. Импульсные диоды работают в режиме электронного ключа.

2. Длительность импульсов может быть очень мала, поэтому диод должен очень быстро переходить из одного состояния в другое.

3. Основным параметром, характеризующим быстродействие импульсных диодов является время восстановления обратного сопротивления.

4. Для уменьшения используют специальные меры, ускоряющие процесс рассасывания неосновных носителей заряда в базе.

5. Требованиям, предъявляемым к импульсным диодам, хорошо удовлетворяют диоды на основе барьера Шоттки, которые имеют очень малую инерционность благодаря отсутствию инжекции и накопления неосновных носителей заряда в базе.