Петров К.С. Радиоматериалы и радиокомпоненты (2003) (1152094), страница 38
Текст из файла (страница 38)
Импульсный режим работы полупроводниковых диодов Во многих радиоэлектронных устройствах полупроводниковые диоды работают в импульсном режиме при длительности импульсов, измеряемой долями микросекунды. В этом режиме диод должен очень быстро переключаться из закрытого состояния в открытое состояние и наоборот. Однако этому препятствуют инерционные процессы накопления и рассась1вания заряда в базе.
Рассмотрим эти процессы, представив диод в виде эквивалентной схемы (рис. 3.12, а). В этой схеме р-л-переход заменен диодом, содержащим диффузионную емкость, учитывающую накопление заряда в базе, и барьерной емкостью, учитывающей накопление заряда в р-л-переходе. Через диод протекает конвекционный ток 1 „„, а через барьерную емкость — емкостный ток г,„„. В схеме учтено наличие сопротивления базы г~, из-за которого напряжение на переходе и„отличается от напряжения на диоде и„. На рис.
3.12, б представлены графики изменения напряжений генератора и,., на диоде их и на переходе и„, а на рис. 3.12, в — графики изменения токов генератора 1„, емкостного 1,.„„и конвекционного („„,. 195 3Л. Импульсный режим боты полупроводниковых диодов Процесс включения В момент времени г» напряжение генератора скачком устанавливается равным У»„к Барьерная емкость в этот момент не заряжена, поэтому в цепи устанавливается ток ~»»р ~»лр г =1 В„+ г', Я„ На диоде устанавливается напряжение ~ щтб В интервале времени г ..г, происходит заряд барьерной емкости и заполнение базы дырками (рис. 3.13, а).
По мере заряда барьерной емкости возрастает напряжение на переходе и„и уменьшается емкостный ток) „, а по мере заполнения базы дырками возрастает конвекционный ток1, определяемый градиентом концентрации дырок в сечении х„, и уменьшается сопротивление базы гг, в результате чего уменьшается напряжение на диоде и» = и» + 1,рг',. Р(х) Рис. 3.13 В момент времени г, напряжение и„становится равным их = 1,1У,в„, где У установившееся напряжение на диоде, определяемое по вольт-амйерной характеристике диода и зависящее от тока 1„,. Интервал времени от момента подачи импульса прямого тока до момента, когда напряжение на диоде установится равным 1,1У» ...называют временем установления прямого напряжения и обозначают т .
После установления прямого напряжения наступает стационарный режим, в котором напряжение и ток не изменяются. Глава 3. Полупроводниковые диоды Процесс выключения В момент времени г, напряжение генератора скачком устанавливается равным У„„р, напряжение иа переходе и„скачком измениться ие может, поэтому сохраняется равным У„„р. В цепи устанавливается ток ~ г. бр + 11сг.пр ~гсбр г =1 сбр.вгс Поскольку заряд в базе и, соответственно, градиент концентрации в сечении х„ мгновенно измениться ие могут, то конвекционный ток 1„, сохраняется равным 1пр а емкостиый ток скачком возрастает до значения гс„г = 1,бр,„— 1 . Напряжение иа диоде, равное и, = и„„+ 1„„„гб, скачком уменьшается, так как изменилось направление тока.
В интервале времени Г, .Гб происходит перезаряд барьерной емкости Сб, поэтому напряжение иа переходе ир и емкостиый ток г „уменьшаются. Одновременно с этим рассасывается накопленный в базе заряд (рис. 3.13, б1 и уменьшается градиент концентрации дырок в сечении х„, что обусловливает уменьшение коивекциоииого тока г„.р,. Изменения токов г „„и г „происходят с одинаковой скоростью, поэтому обратный ток сохраняется постоянным и равным 1мр . В момент времени гг градиент концентрации дырок в сечении х„становится равным нулю, поэтому в этот момент конвекционный ток равен нулю. В интервал времени г,...г, продолжается перезаряд барьерной емкости и умеиьшеиие тока г,„„и напряжения иа переходе и„.
Конвекционный ток в этом интервале, изменив направление, увеличивается; ои создается дырками, которые возвращаются из базы в эмиттер. Обратный ток при этом ие изменяется. В момент времени г„иапряжеиие иа переходе становится равным нулю, а градиент концентрации дырок в сечении х„и, следовательно, конвекционный ток, достигают максимальных значений. В дальнейшем, в интервале ге.хб конвекционный и емкостиый токи убывают, что обусловливает уменьшение обратного тока. Интервал времени от момента прохождения тока через нуль до момента, когда обратный ток уменьшится до значения 0,1 1, называют временем восстановлении обратного сопротивления и обозначают т . Это время складывается из двух стадий: т = т, + ть Длительность переключения диода с прямого направления иа обратное зависит от времени жизни носителей заряда в базе.
Чем оио меньше, тем выше скорость рекомбинации, тем быстрее рассасывается накопленный в базе заряд. 3.8. Разновидности полупроводниковых диодов и их применение Полупроводниковые диоды широко применяют в устройствах радиоэлектроники, автоматики и вычислительной техники. В основе применения диодов лежит ряд их свойств, в соответствии с которыми их можно классифицировать. По типу 197 3.8. Разновидности полуп оводниковых диодов и их применение исходного материала диоды делят на диоды из кремния, германия и арсенида галлия. В зависимости от конструктивно-технологических особенностей различают плоскостные, точечные и микросплавные диоды.
По применению различают выпрямительные диоды, импульсные диоды, стабилитроны, варикапы и ряд других. Возможна классификация и по ряду других признаков. Ниже рассмотрены основные типы полупроводниковых диодов. Выпрямительные диоды Выпрямительные диоды являются одним из наиболее распространенных типов полупроводниковых диодов, Они предназначены для преобразования переменного тока в постоянный. Для выпрямительных диодов характерно небольшое сопротивление в проводящем состоянии, позволяющее пропускать большие токи, В подавляющем большинстве случаев они работают на частоте 50 Гц, верхняя граница рабочих частот, как правило, не превышает 20 кГц.
Для изготовления выпрямительных диодов обычно используют кремний, имеющий более высокую допустимую температуру и более низкую цену по сравнению с германием. Однако в мощных низковольтных выпрямителях предпочтительнее гсрманиевые диоды, поскольку они имеют меньшее прямое напряжение, чем кремниевые.
В ряде случаев в мощных выпрямителях применяют диоды Шотки, в которых используется выпрямляющий контакт металла с полупроводником. Их изготавливают на основе кремния; благодаря меньшему прямому напряжению (0,3 В вместо 0,7 В у обычных кремниевых диодов) диоды Шотки обеспечивают более высокий коэффициент полезного действия, особенно в низковольтных выпрямителях, Основными параметрами, характеризующими свойства выпрямительных диодов, являются: а средний выпрямленный ток 1„, — среднее за период значение прямого тока; а среднее прямое напряжение У„ь,„при заданном значении среднего прямого тока; а максимально допустимое обратное напряжение У., — значение обратного напряжения, которое диод способен выдержать в течение длительного времени; а средний обратный ток диода 1„, — среднее за период значение обратного тока. По величине выпрямленного тока выпрямительные диоды делят на три группы: а маломощные (на ток до 1 А); а средней мощности (на ток от 1 до 10 А); а мощные (на ток свыше 10 А).
Помимо дискретных выпрямительных диодов в радиоэлектронной аппаратуре находят применение выпрямительные блохи, конструктивно представляющие собой завершенное устройство, состоящее из нескольких выпрямительных диодов, соединенных по определенной схеме. В высоковольтных выпрямителях находят применение выпрямительные столбы, в которых выпрямительные диоды соединены последовательно.
198 Глава 3. Полупроводниковые диоды Высокочастотные диоды Высокочастотные диоды предназначены для нелинейных электрических преобразований сигналов на частотах до сотен мегагерц, Их применяют в детекторах высокочастотных сигналов, преобразователях частоты, модуляторах и т. д. Отличительной особенностью этих диодов является незначительная величина барьерной емкости, что достигается путем уменьшения площади р-и-перехода.
Поэтому высокочастотные диоды являются точечными или микросплавными. Для уменьшения времени жизни носителей в базу диода вводят примесь золота. Параметры у высокочастотных диодов те же, что и у низкочастотных выпрямительных диодов, В СВЧ-диодах обычно используют точечный контакт, осуществляемый простым прижимом к поверхности полупроводника острия металлической контактной пружины. Эти диоды изпповляют из низкоомного материала с малым временем жизни носителей заряда. Они имеют небольшой радиус точечного контакта (2-3 мкм), что обеспечивает получение незначительной барьерной емкости. Напряжение пробоя СВЧ-диодов очень низкое (3-5 В), а прямое напряжение относительно высокое. Конструкция СВЧ-диодов обычно приспособлена к сочленению с элементами коаксиального или волноводного тракта.' Импульсные диоды Импульсные диоды предназначены для работы в быстродействующих импульсных схемах.
Основными отличительными особенностями импульсных диодов, так же как и высокочастотных, является малая площадь р-и-перехода и небольшое время жизни неравновесных носителей заряда. Основным параметром импульсных диодов является время восстановления обратного сопротивления т, которое у сверхбыстродействующих диодов составляет несколько наносекунд. Для импульсных диодов указывают также параметры, характерные для выпрямительных диодов. Конструкция и технология изготовления импульсных диодов аналогичны конструкции и технологии изготовления обычных высокочастотных диодов. В быстродействующих импульсных схемах широко используют диоды Шотки, площадь перехода которых обычно составляет 20-30 мкм в диаметре, а барьерная емкость не превышает 1 пФ.
Особенностью диодов Шотки является отсутствие инжекции неосновных носителей заряда в полупроводник. Основным фактором, влияющим на длительность переходных процессов, является перезаряд барьерной емкости. Диоды Шотки могут работать на частотах до 15 ГГц, а время переключения у них составляет около 0,1 нс. В импульсных схемах, формирующих импульсы с крутыми фронтами, применяют диоды с накоплением заряда (ДНЗ). В этих диодах примесь в базе распределена неравномерно: концентрация ее больше в глубине базы и меньше возле р-п-перехода, вследствие чего возникает внутреннее электрическое поле.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
