Импульсные диоды.
Это обычные диоды, с обычной ВАХ, однако работающие в режиме переключения. Их область применения – цифровые схемы, элементы которых находятся либо в открытом состоянии «0», либо в закрытом «1». Поэтому в этом приложении представляют интерес временные параметры диода: как быстро он переходит из закрытого в открытое состояние и наоборот. На рис. 20 показан импульсный диод на основе несимметричного контакта. Примем условие, что эмиттер имеет n – проводимость. Это дает основание рассматривать поведение и ток только электронов. При обратной несимметрии вся сказанное будет относиться к дыркам.
Рассмотрим процессы при переключении. Подадим на него прямое напряжение – идеальную ступень, рис. 21 а). первоначально начнут движение электроны обладающие наибольшей энергией, находящиеся непосредственно вблизи p-n перехода, далее к ним присоединятся те, которые находятся внутри n области. Таким образом, из за различия энергий носителей постепенно увеличивается их число, постепенно увеличивается и прямой ток. Этот процесс во времени показан на рис.21 б), а для оценки вводится параметр tуст – время установления открытого состояния. При большом времени ток не меняется и в области «p» перехода скапливается большое количество неосновных носителей, электронов. Возникает неравновесная концентрация носителей в p области кристалла.
Подадим на переход столь же резко изменяющуюся обратную полярность напряжения. Неравновесные электроны накопившиеся в «p» области начнут выводится под действием электрического поля в «n» область. Концентрация их велика, поэтому обратный ток в течении какого – то времени будет большим. Эта стадия процесса показана на рис. 21 б), как t1. в конце концов , процесс вывода закончится, переход становится в закрытое состояние. Теперь есть две полупроводящие области p и n b и слой диэлектрика между ними. Это конденсатор, который начинает заряжаться под действием обратного напряжения. Ток заряда будет уменьшаться по закону экспоненты, на рис.21 б) это время t2. В целом время восстановления закрытого состояния равно t1+t2=tвосст.
Рис. 20 Импульсный диод
Рис. 21. Процессы в импульсном диоде.
Обычно tвосст. >> чем tвосст. Для улучшения параметров диода для изготовления используются материалы с высокой подвижностью носителей (Ge), площадь перехода делают маленькой, применяют p-i-n структуры. Пример применения импульсного диода приведен на рис. 22. Форма напряжения на нагрузочном сопротивлении повторяет форму тока на рис. 21.
Рис. 21 работа импульсного диода
Варикап
Вновь рассмотрим p-n переход. Известно, что по сути это слой изолятора, на границах которого расположены области полупроводника хотя и плохо, но все –же проводящего электрический ток. С некоторыми допущениями можно считать, что это конденсатор, пластинами которого служат p и n области, а диэлектриком сам p-n переход. Интерес представляет свойства этого конденсатора при подаче напряжения.
При подаче обратного напряжения (рис.22) электрическое поле на переходе возрастает. Электроны в n области оттягиваются к выводу + , обнажаются атомы примеси и толщина перехода в области n увеличивается. Подобное явление будет происходить и в p области. Вывод таков: слой диэлектрика в конденсаторе стал толще, следовательно, емкость конденсатора уменьшилась (раздвинули пластины).
Рис.22 Структура варикапа
Для симметричного перехода зависимость толщины Δ от обратного напряжения определяется следующей простой формулой:
,
где φk – контактная разность потенциалов, N – концентрация примеси, U-обратное напряжение, e-заряд электрона, ε-диэлектрическая проницаемость.
Емкость перехода при обратном напряжении называется барьерной Сбар, ее зависимость от обратного напряжения – основная характеристика данного диода (рис.23).
Имеются также специфические параметры.
Это коэффициент перекрытия k равный отношению Cmax к Cmin, обычно имеет величину 4-8.
Сбар
Смах
Смин
Uобр
Рис. 23 Основная характеристика варикапа и эквивалентная схема
Имеются также специфические параметры.
Добротность варикапа - параметр характеризующий качество конденсатора. Вспомним , что при обратном напряжении через переход пойдет ток неосновных носителей. Он мал, но все же имеет достаточную для того, чтобы считать p-n переход сопротивлением Rобр (Рис. 23). Rобр. – это отношение Uобр к Iо.
Допустимое обратное напряжение Uобр.мах. Следует не забывать про пробой перехода при превышении этой величины.
Применяется варикап при замене обычного конденсатора переменной емкости там, где требуется изменение ее величины без механических усилий. Это настройка резонансных контуров (в радиоприемниках), в параметрических усилителях, при автоматической подстройки частоты в генераторах и т. д. На рис. 24 варикап применяется для настройки резонансной частоты колебательного контура. Резонансная частота зависит от величины индуктивности L и результирующей емкости С=C1*Cvd/(C1+Cvd),
.
Рис. 24 Применение варикапа
При подаче управляющего напряжения Uупр меняется емкость варикапа и как следствие резонансная частота.