2 . Импульсные диоды

Импульсный полупроводниковый диод имеет малую длительность переходных процессов и предназначен для применения в импульсных режимах работы. Основные назначения импульсных диодов – работа в качестве коммутирующего элемента или для детектирования высокочастотных сигналов. Условия работы импульсных диодов обычно соответствуют высокому уровню инжекции, т.е. относительно большим прямым токам. Поэтому свойства и параметры импульсных диодов определяются переходными процессами. При переключении диода с прямого напряжения на обратное в начальный момент времени через диод идет большой обратный ток, ограниченный в основном сопротивлением базы рис.3,а. С течением времени накопленные в базе неосновные носители заряда рекомбинируют или уходят из базы через p-n-переход, после чего обратный ток уменьшается до своего стационарного значения.

Одним из основных параметров импульсного диода является время восстановления обратного сопротивления t_вос (рис.3). По этому параметру импульсные диоды разделены на шесть групп: более 500 нс, 150÷500, 30÷150, 5÷30, 1÷5 и менее 1 нс.

При пропускании через диод импульса тока (рис.3, б) в прямом направлении наблюдается выброс напряжения. Это вызвано повышенным падением напряжения, пока не окончится процесс накопления неосновных носителей в базе и не уменьшится сопротивление базы. Это происходит за время установления прямого напряжения диода t_уст.

Значения t_вос и t_уст зависят от структуры диода, времени жизни неосновных носителей в базе, величины накопленного в базе заряда и величины обратного напряжения.

Одной из первых была разработана конструкция точечного импульсного диода рис.4. В нем p-n-переход образуется путем вплавления иголки индия в кристалл Si n-типа. Полученный p-n-переход имеет полусферическую форму с радиусом а.

Время переходного процесса определяется временем перезаряда емкости p-n-перехода С_пер=С_бар+С_диф через сопротивление базы r_б

Τ = С_пер∙r_б.

Барьерная емкость точечного p-n-перехода С_бар ~ а² мала в связи с малой площадью перехода. Особенностью точечных диодов является большое сопротивление базы, которое определяется сопротивлением растекания. Для его расчета определим сопротивление полусферического слоя полупроводника толщиной R на расстоянии dR от центра сферы

.

Если считать удельное сопротивление полупроводника ρ постоянным, то полное сопротивление кристалла полупроводника толщиной b под точечным p-n-переходом

.

В точечных диодах а=5÷20 мкм, а b~200 мкм, поэтому

.

Современные импульсные диоды производятся по планарной технологии с использованием кремниевых или арсенид-галлиевых кристаллов. Для ускорения переходных процессов в базе диода создают встроенное электрическое поле за счет неравномерного легирования и вводят примеси меди или золота, уменьшающие время жизни неосновных носителей. Для уменьшения барьерной емкости уменьшают размеры импульсного диода.

3. Диоды с резким воссановлением обратного сопротивления

В диоде с резким восстановлением обратного сопротивления имеет место эффект накопления неосновных носителей заряда в базе для создания кратковременного импульса обратного тока по форме приближенному к прямоугольному импульсу (рис.5.). В переходном процесс можно выделить два времени: t₁ – время высокой обратной проводимости и t₂ – время восстановления высокого обратного сопротивления.

Длительность t₁ зависит от величины заряда неосновных носителей, накопленного в базе, т.е. от величины прямого тока I_пр и величины обратного тока I_обр.max. Величина I_обр.max зависит от величины обратного напряжения U_обр и от сопротивления базы. В реальных условиях амплитуда обратного тока определяется ЭДС генератора и суммой сопротивлений базы диода и внешней цепи.

Длительность t₂ определяется временем уменьшения обратного тока от I_обр.max до 0.1I_обр.max.

В диодах с накоплением заряда создают большой градиент концентрации примесей в базе (рис.6, в), что увеличивает напряженность встроенного электрического поля Е_встр и способствует концентрации электронов в низколегированной области вблизи границы p-n-перехода. Для уменьшения времени жизни неосновных носителей в базе и уменьшения t₂ производят легирование базы примесями меди или золота. Для уменьшения сопротивлен ия базу делают двухслойной. Со стороны электрода создается высоколегированный слой, а со стороны p-n-перехода – тонкий низколегированный слой. Кроме того, наличие высоколегированного слоя дополнительно ограничивает область накопления неосновных носителей в базе тонкой областью низколегированного слоя. Для уменьшения барьерной емкости и индуктивности диода уменьшают его размеры. Все это вместе существенно ускоряет процесс рассасывания неосновных носителей в базе и позволяет формировать прямоугольные импульсы с нано и пикосекундной длительностью.

Диоды с резким восстановлением обратного сопротивления используются для создания генераторов коротких импульсов, как правило, в СВЧ диапазоне и умножителей частоты.