Главная | Обратная связь

Переключательные p-i-n диоды

Переключательные диоды с p-i-n структурой представляют собой кристалл полупроводника, разделённый на три области, причем две из них (p и n), содержащие большую концентрацию примесей, разделены достаточно широкой областью i, проводимость которой близка к собственной проводимости полупроводника (рис. 3.7). в результате емкость такого диода мала, а напряжение пробоя велико, что позволяет использовать его для коммутации больших мощностей на СВЧ.

Рис. 3.7

Принцип работы диода состоит в следующем. При отсутствии внешнего напряжения сопротивления области i, а следовательно, и всего диода велико и оно дополнительно увеличивается при обратном включении диода. При подаче прямого напряжения на диод дырки из области р, а электроны из области n инжектируют в область i. При этом концентрация носителей в этой области резко возрастает, а ее сопротивление и, следовательно, сопротивление всего диода также резко падает. Полный перепад сопротивления диода при смене полярностей внешнего напряжения достигает 10³…10⁴ раз.

При плавном изменении внешнего напряжения смещения сопротивление p-i-n диода также плавно изменяется и, следовательно, они могут применяться также в качестве поглощающих аттенюаторов. Введение в линию совместно с диодами реактивных элементов приводит к изменению сдвига фаз при изменении сопротивления диода, что позволяет использовать эти диоды в качестве фазовращателей.

 

Варикапы

Варикапами называют полупроводниковые диоды, в которых используется зависимость барьерной емкости С_бар от величины обратного напряжения (рис. 2.13) и которые предназначены для применения в качестве элемента с электрически управляемой емкостью.

Варикапы широко используются в схемах автоматической подстройки частоты, в параметрических усилителях (параметрические диоды), в умножителях частоты, (варакторы), для электронной перестройки резонансных систем (подстроечные варикапы).

Основными требованиями, предъявляемыми к варикапам, предназначенным для перестройки резонансных систем, являются широкий диапазон изменения барьерной емкости и высокая добротность.

В параметрических диодах важно, чтобы величина барьерной емкости при нулевом смещении диода давала возможность настройки контура в резонанс, а изменение её обеспечивало достаточную модуляцию емкости контура.

Рис. 3.8

Условное графическое изображение варикапа показано на рис. 3.8. основными параметрами варикапов являются:

общая емкость варикапа С_в - емкость, измеренная между выводами варикапа при заданном обратном напряжении;

коэффициент перекрытия по емкости К_с – отношение емкостей варикапы при двух заданных значениях обратных напряжений;

добротность варикапа Q_в – отношение реактивного сопротивления к сопротивлению потерь (r_П r_Э + r_Б + r_ВВ r_Б).

 

Импульсные диоды

Импульсными называют полупроводниковые диоды, имеющие малую длительность переходных процессов и предназначенные для работы в импульсных режимах, т.е. в устройствах формирования и преобразования импульсных сигналов и т.д. Рассмотрим особенности импульсного режима работы диода на примере работы простейшей схемы диодного ключа (рис. 3.9а) с помощью временных диаграмм токов и напряжений, приведённых на рис. 3.9.б,в,г. Пусть на вход схемы подаются прямоугольные импульсы входного напряжения, состоящие из короткого прямого (положительного) и более длительного отрицательного импульсов (рис. 3.9б). в момент подачи на вход схемы прямоугольного импульса положительной полярности t₁ c амплитудой U_{пр т} >U_ко диод оказывается включенным в прямом направлении, т.е. открывается. При этом из эмиттера в базу инжектируют дырки, которые под действием диффузии перемещаются по ней к выводу базы. Через диод и нагрузку будет протекать постоянный по величине прямой ток, амплитуда которого определяется амплитудой входного импульса, сопротивлением нагрузки и прямым сопротивлением диода.

Проходя по диоду этот ток создает на нем падение напряжения

U_Д = I_{пр т} r_{диф пр} I_{пр т}r_Б , т.к. r_{диф пр} r_Б.

Рис. 3.9

В момент подачи импульса сопротивление базы r_Б велико, поэтому и падение напряжения на диоде U_Д также велико и равно U_{пр и макс} . с течением времени в результате возникшей инжекции происходит накопление неосновных неравновесных носителей в базе в непосредственной близости от р-n перехода, т.к. они не могут мгновенно дойти до вывода базы или рекомбинировать с электронами, а это приводит к снижению сопротивления r_Б и уменьшению падения напряжения на диоде до установившегося значения ( рис.3.9г).

Интервал времени от начала импульса до момента, когда напряжение на диоде упадёт до 1,2 U_пр называется временем установления прямого сопротивления диода t_уст.

Если в момент времени t= t₃ входное напряжение скачком изменит свою полярность на обратную (рис. 3.9б), то инжекция носителей из эмиттера в базу прекратится. Можно было бы ожидать, что ток через диод изменит свою полярность, а по величине будет равен установившемуся обратному току I_обр =I_S . однако этого не произойдёт, т.к. начинается процесс РАССАСЫВАНИЯ накопленных в базе при прямом включении избыточных дырок, т. е. часть дырок из базовой области устремляется назад в эмиттер, т.к. поле эмиттерного перехода при обратном включении становится для них ускоряющим, а другая часть будет рекомбинировать с основными носителями зарядов в базе – электронами. При этом через диод проходит импульс обратного тока

,

значительно превышающий свое установившееся значение. В интервале времени от t₃ до t₅ обратный ток остаётся практически постоянным и равным I_обр , т.к. градиент концентрации неравновесных носителей у границы р-n перехода в базе не изменяется (рис. 3.10 кривые для t₃,t₅). Когда избыточный заряд становится равным нулю, градиент концентрации начинает уменьшатся и обратный ток спадает до своего установившегося значения I_обр = I_S (момент t₆ на рис. 3.8), т.е. происходит восстановление высокого обратного сопротивления диода.

Рис. 3.10

Интервал времени от момента, когда ток через диод равен нулю, до момента, когда он достигает установившегося значения, называется временем восстановления обратного сопротивления t_вос.

Таким образом, явления накопления и рассасывания неосновных неравновесных носителей и связанные с ними время установления прямого сопротивления, и время восстановления обратного сопротивления ограничивают быстродействие диодов.

Кроме диффузионной емкости на переходные процессы в импульсных диодах оказывает влияние барьерная емкость, для уменьшения которой применяют точечные диоды.

Для уменьшения времени восстановления t_вос применяются диоды с накоплением зарядов (ДНЗ). У этих диодов концентрация примесей в базе монотонно увеличивается по мере удаления от р-n перехода, поэтому неравномерной оказывается и концентрация электронов. За счёт этого электроны диффундируют к р-n переходу, оставляя вдали от него нескомпенсированный заряд положительных атомов. Это приводит к возникновению электрического поля в базе направленного в сторону перехода. Это поле препятствует распространению инжектированных носителей зарядов вглубь базы при прямом включении, в результате чего они концентрируются (накапливаются) вблизи р-n перехода, что обеспечивает переброс их назад, в эмиттер в очень короткое время при переключении напряжения с прямого на обратное.

Лучшими импульсными параметрами обладают диоды Шоттки, в которых используются выпрямляющий контакт металл-полупроводник. Преимуществом такого контакта перед обычными р-n переходами является отсутствие инжекции неосновных носителей при прямом включении, а значит и отсутствие их накопления и рассасывания.

Инерционность диодов Шоттки в основном определяется емкостью выпрямляющего контакта, которую можно сделать очень малой, уменьшив размеры структуры. Диоды Шоттки имеют диапазон рабочих частот до 10…15 ГГц, а время переключения – до 0,1 нс.

Основными специальными параметрами импульсных диодов, кроме t_уст и t_вос, является импульсное прямое напряжение U_{пр и макс} при заданной величине импульса прямого тока и максимальное импульсное сопротивление