VYSOKOChASTOTNYE_IMPUL_SNYE_DIODY_VARIKAPY
.docxВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ, ИМПУЛЬСНЫЕ ДИОДЫ, ВАРИКАПЫ
Высокочастотные диоды
Высокочастотные диоды ‒ приборы универсального назначения. Они могут быть использованы для выпрямления, детектирования и других нелинейных преобразований электрических сигналов в диапазоне частот до 600 МГц. Высокочастотные диоды изготовляются, как правило, из германия или кремния и имеют точечную структуру. Конструкция точечного германиевого диода показана на рис. 6.8. Диод состоит из кристалла германия, припаянного к кристаллодержателю, контактного электрода в виде тонкой вольфрамовой проволочки и стеклянного баллона. Размеры кристалла составляют 1х1х0,2 мм. Радиус области соприкосновения проволочки с германием обычно не превышает 5‒7 мкм.
Для получения р-п перехода диод в процессе изготовления подвергают токовой формовке. С этой целью через него в прямом направлении пропускается кратковременный импульс тока величиной до 400 мА. В результате формовки тонкий слой полупроводника, примыкающий к острию, приобретает дырочную проводимость, а на границе между этим слоем и основной массой пластинки возникает р-п переход. Такая конструкция диода обеспечивает небольшую величину емкости р-п перехода (не более 1 пФ), что позволяет эффективно использовать диод на высоких частотах. Однако малая площадь контакта между частями полупроводника с проводимостью типа п и р не позволяет рассеивать в области р-п перехода значительные мощности. Поэтому точечные диоды менее мощные, чем плоскостные, и не используются в выпрямителях, рассчитанных на большие напряжения и токи. Они применяются, главным образом, в схемах радиоприемной и измерительной аппаратуры, работающей на высоких частотах, а также в выпрямителях на напряжения не выше нескольких десятков вольт при токе порядка десятков миллиампер.
Включение высокочастотных точечных диодов в схему принципиально не отличается от включения плоскостных выпрямительных диодов. Аналогичен и принцип работы точечного диода, основанный на свойстве односторонней проводимости р-п перехода.
Типичная вольтамперная характеристика точечного диода показана на рис. 6.9,а. Обратная ветвь характеристики точечного диода значительно отличается от соответствующей ветви характеристики плоскостного диода.
Свойства высокочастотных диодов характеризуют параметры, аналогичные указанным в параграфе 6.1. Существенное значение для оценки свойств высокочастотных диодов имеют:
Общая емкость диода СД ‒ емкость, измеренная между выводами диода при заданных напряжении смещения и частоте.
Дифференциальное сопротивление rдиф ‒ отношение приращения напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению тока.
Диапазон частот ∆f ‒ разность предельных значений частот, при которых средний выпрямленный ток диода не менее заданной доли его значения на низшей частоте.
Высокочастотные точечные диоды могут быть использованы в схемах детектирования, в качестве ограничителей, нелинейных сопротивлений, коммутационных элементов и т. п.
В последние годы все большее применение находят диоды, основанные на выпрямляющем действии контакта металл ‒ полупроводник ‒ так называемые диоды Шоттки. В отличие от обычных точечных диодов, у которых контакт осуществляется прижимом металлической иглы, у диодов Шоттки контакт представляет собой тонкую пленку металла (золото, никель, алюминий, платина, вольфрам, молибден, ванадий и др.). Как было показано выше (параграф 3.8), приборы, использующие контакт металл ‒ полупроводник, работают на основных носителях заряда, что позволяет существенно уменьшить их инерционность, а, следовательно, повысить быстродействие. Время переключения диодов Шоттки из запертого состояния в открытое и наоборот определяется малой величиной барьерной емкости, которая обычно не превышает 0,01 пФ.
Основное преимущество диодов Шоттки по сравнению с диодами на р-п переходах ‒ возможность получения меньших значений прямого сопротивления контакта, так как металлический слой по этим свойствам превосходит любой, даже сильно легированный слой полупроводника.
Малое прямое сопротивление и небольшая емкость барьера Шоттки позволяет диодам работать на сверхвысоких частотах. Типичный диапазон рабочих частот составляет 5—250 ГГц, а время переключения — менее 0,1 нс. Обратные токи диодов Шоттки малы и составляют несколько микроампер. Обратные напряжения лежат в интервале 10...1000 В.
Следует отметить, что диоды Шоттки получили распространение сравнительно недавно (в начале 70-х годов), хотя их теория насчитывает более 50 лет. Это объясняется тем, что лишь в последние годы, благодаря совершенствованию технологии производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем, удалось получить барьеры Шоттки с характеристиками и параметрами, близкими к идеальным.
Импульсные диоды
Импульсные диоды предназначены для работы в быстродействующих импульсных схемах с временем переключения 1 мкс и менее. При столь коротких рабочих импульсах приходится учитывать инерционность процессов включения и выключения диодов и принимать конструктивно-технологические меры, направленные на снижение барьерной емкости и сокращение времени жизни неравновесных носителей заряда в области р-п перехода.
По способу изготовления р-п перехода импульсные диоды подразделяются на точечные, сплавные, сварные и диффузионные (меза и планарные). Устройство диодов указанных групп показана на рис. 6.10.
Конструкция точечных импульсных диодов (рис. 6.10,а) практически не отличается от конструкции обычных высокочастотных диодов. В некоторых случаях для улучшения характеристик диода на острие контактной иглы наносят примесь (обычно индий или алюминий), образующую акцепторные центру в германии и кремнии n-типа. В процессе электроформовки приконтактная область полупроводника сильно нагревается и непосредственно под острием иглы образуется небольшая по размерам р-область.
В сплавных диодах (рис. 6.10, б) р−п переход получают вплавлением в кристалл полупроводника электронной проводимости кусочка сплава, содержащего атомы акцепторной примеси. Граница между исходным монокристаллом и сильно легированным р-слоем представляет собой р−п переход. Обычно такой метод используется при изготовлении кремниевых импульсных диодов. При создании аналогичных германиевых диодов вместо метода сплавления используют метод импульсной сварки (рис. 6.10, в). В этом случае к кристаллу германия подводится тонкая золотая (с присадкой галлия) игла и через полученный контакт пропускается импульс тока большой амплитуды, в результате чего конец золотой иглы сваривается с германием.
Наиболее быстродействующие импульсные диоды получают методом диффузии донорных или акцепторных примесей в твердый полупроводник.
Проникая на некоторую глубину полупроводника, диффундирующие атомы меняют тип проводимости этой части кристалла, вследствие чего возникает р−п переход. После получения диффузионной структуры осуществляют химической травление поверхности полупроводника, после которого р−п переход сохраняется только внутри небольшой области, которая возвышается над остальной поверхностью в виде столика (меза). Такой вид кристалла называют мезаструктурой (рис. 6.10, г). Емкость р−п переходов мезадиодов ниже, а напряжение пробоя выше, чем у сплавных или сварных диодов. Время переключения мезадиодов не превышает 10 пс.
Весьма перспективными являются диоды, полученные при помощи планарно-эпитаксиальной технологии (рис. 6.10, д). При их изготовлении примесь вводится в полупроводник (обычно кремний) локально − через «окна» в защитной окисной пленке SiO2. Получающиеся при этом р−п переходы отличаются высокой стабильностью параметров и надежностью.
Простейшая схема включения импульсного диода приведена на рис. 6.11, а. Под воздействием входного импульса положительной полярности (рис. 6.11, б) через диод протекает прямой ток, величина которого определяется амплитудой импульса, сопротивлением нагрузки и сопротивлением открытого диода. Если на диод, через который протекает прямой ток, подать обратное напряжение так, чтобы его запереть, то диод запирается не мгновенно (рис. 6.11, в).
Рис. 6.11. Схема включения (а) и осциллограммы
входного напряжения (б) и тока (в) импульсного диода
В первый момент наблюдается резкое увеличение обратного тока I1 через диод и лишь постепенно с течением времени он уменьшается и достигает установившегося значения Iобр. Указанное явление связано со спецификой работы р−п перехода и представляет собой проявление так называемого эффекта накопления. Сущность этого эффекта состоит в следующем. Во время протекания прямого тока через р−п переход осуществляется инжекция носителей. В результате инжекции в непосредственной близости к переходу создается концентрация неосновных неравновесных носителей, которая во много раз превышает концентрацию равновесных неосновных носителей в области р−п перехода: чем больше концентрация неосновных носителей, тем больше обратный ток. Время жизни неравновесных носителей ограничено − постепенно их концентрация уменьшается как за счет рекомбинации, так и за счет ухода через р−п переход. Поэтому через некоторое время (τв на рис. 6.11,в) неравновесные неосновные носители исчезнут; обратный ток восстановится до нормального значения Iобр.
Основной характеристикой импульсных диодов является их переходная характеристика. Она отражает процесс восстановления обратного тока и обратного сопротивления диода при воздействии на него импульсного напряжения обратной полярности (см. рис. 6.11, в).
Основные параметры импульсных диодов:
Время восстановления обратного сопротивления τв − интервал времени от момента прохождения тока через нуль после переключения диода с заданного прямого тока в состояние заданного обратного напряжения до момента достижения обратным током заданного низкого значения.
Заряд переключения Qпк − часть накопленного заряда, вытекающая во внешнюю цепь при изменении направления тока с прямого на обратное.
Общая емкость СД − емкость, измеренная между выводами диода при заданных напряжении смещения и частоте.
Импульсное прямое напряжение Uпр.и − пиковое значение прямого напряжения на диоде при заданном импульсе прямого тока.
Импульсный прямой ток Iпр.и − пиковое значение импульса прямого тока при заданной длительности, скважности и форме.
Для импульсных диодов указывают также величину постоянного прямого напряжения Uпр при протекании постоянного тока Iпр и величину обратного тока Iобр при заданной величине обратного напряжения Uобр. Предельные режимы определяются величиной максимально допустимого постоянного обратного напряжения Uобр.max, максимально допустимой величиной импульсного обратного напряжения Uобр.и.max, а также величинами максимально допустимого постоянного прямого тока Iпр.max и максимально допустимого импульсного прямого тока Iпр.и.max.
Импульсные диоды широко применяются в импульсных схемах самого различного назначения, например в логических схемах электронных цифровых вычислительных машин.
Варикапы
Варикапами называют полупроводниковые диоды, у которых используется барьерная емкость запертого р-п перехода, зависящая от величины приложенного к диоду обратного напряжения. Конструкция варикапа показана на рис. 6.12. В кристалл кремния 5 с одной его стороны вплавлен в вакууме алюминиевый столбик 4 для получения р-п перехода, а с другой стороны − сплав золото − сурьма для получения омического контакта 6. Эта структура вплавляется в вакууме в коваровый золоченый кристаллодержатель 7. К алюминиевому столбику прикреплен внутренний вывод 2. Соединение кристаллодержателя с баллоном 3 и выводом 1 осуществляется сплавлением в водороде.
Для использования свойств варикапа к нему необходимо подвести обратное напряжение (рис. 6.13).
Как известно, при отсутствии внешнего напряжения между p и n− областями существуют контактная разность потенциалов (потенциальный барьер) и внутреннее электрическое поле. Если к диоду приложить обратное напряжение Uобр (рис. 6.14, а), то высота, потенциального барьера между p и n− областями возрастет на величину приложенного напряжения (рис. 6.14, б), возрастет и напряженность электрического поля в р-п переходе. Внешнее обратное напряжение отталкивает электроны глубже внутрь n-области, а дырки − внутрь р-области. В результате происходит расширение области р-п перехода и тем больше, чем выше напряжение Uобр (на рис. 6.14, б и в).
Таким образом, изменение обратного напряжения, приложенного к р-п переходу, приводит к изменению барьерной емкости между p и n− областями. Величина барьерной емкости диода С может быть определена из формулы
где е − относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника;
S − площадь р-п перехода; d − ширина р-п перехода.
Формула (6.3) аналогична формуле для емкости плоского конденсатора. Однако, несмотря на сходство этих формул, между барьерной емкостью и емкостью конденсатора имеется принципиальное различие. В обычном конденсаторе расстояние между его пластинами, а следовательно, и его емкость не зависят от напряжения, приложенного к конденсатору. Ширина же р-п перехода зависит от величины приложенного к нему напряжения, следовательно, барьерная емкость зависит от напряжения: при возрастании запирающего напряжения ширина р-п перехода увеличивается, а его барьерная емкость уменьшается.
Основной характеристикой варикапа является зависимость его емкости от величины обратного напряжения (вольтфарадная характеристика). Типичная характеристика С = f (Uобр) показана на рис. 6.15. В зависимости от назначения величина номинальной емкости варикапов может быть в пределах от нескольких пикофарад до сотен пикофарад. Зависимость емкости варикапа от приложенного напряжения определяется технологией изготовления р-п перехода.
Параметры варикапов:
Номинальная емкость Сном − емкость между выводами варикапа при номинальном напряжении смещения (обычно UCM = 4 В).
Максимальная емкость Сmax − емкость варикапа при заданном напряжении смещения.
Минимальная емкость Сmin − емкость варикапа при заданном максимальном напряжении смещения.
тельных
контуров
Коэффициент перекрытия Кo − отношение максимальной емкости диода к минимальной.
Добротность Q − отношение реактивного сопротивления варикапа к полному сопротивлению потерь, измеренное на номинальной частоте при температуре 20OС.
Максимально допустимое напряжение Umax − максимальное мгновенное значение переменного напряжения, обеспечивающее заданную надежность при длительной работе.
Температурный коэффициент емкости (ТКЕ) − отношение относительного изменения емкости при заданном напряжении к вызвавшему его абсолютному изменению температуры окружающей среды.
Максимально допустимая мощность Рmax − максимальное значение мощности, рассеиваемой на варикапе, при котором обеспечивается заданная надежность при длительной работе.
Основное применение варикапа − электронная настройка колебательных контуров. На рис. 6.16, а приведена схема включения варикапа в колебательный контур. Контур образован индуктивностью L и емкостью варикапа СB. Разделительный конденсатор Ср служит для того, чтобы индуктивность L не закорачивала варикап по постоянному току. Емкость конденсатора Ср должна быть в несколько десятков раз больше емкости варикапа.
Управляющее постоянное напряжение U подается на варикап с потенциометра R2 через высокоомный резистор R1. Перестройка контура осуществляется перемещением движка потенциометра R2.
Данная схема имеет существенный недостаток − напряжение высокой частоты влияет на варикап, изменяя его емкость. Это ведет к расстройке контура. Включение варикапов по схеме, показанной на рис. 6.16, б, позволяет значительно уменьшить расстройку контура при действии переменного напряжения. Здесь варикапы включены по высокой частоте последовательно навстречу друг другу. Поэтому при любом изменении напряжения на контуре емкость одного варикапа увеличивается, а другого уменьшается. По постоянному напряжению варикапы включены параллельно.