Вопрос 17

Существенное значение при использовании диодов в импульсном режиме в быстродействующих схемах имеет время восстановления обратного сопротивления. Изготовление p-n переходов методом диффузии примеси значительно улучшает tвосст. В этом случае распределение концентрации примесей полупроводников будет неравномерно (рис 34а). полупроводниковые диоды, построенные по заданному принципу, называются диодами с накоплением заряда (ДНЗ).

Наличие градиентов концентрации носителей близи границы p-n переходов вызывает встречное диффузионное и дрейфовое движение потоков носителей в пограничных с p-n переходом областях полупроводниковой структуры. В результате чего возникает состояние равновесия с определенной напряженностью электрического поля

Прямое напряжение, поданное на диод, создает инжекцию дырок из р-области в n-базу диода. Однако, из-за наличия внутреннего тормозящего поля в базе, дырки не проникают вглубь области базы, а оказываются «прижатыми» непосредственно к границе перехода встроенным электрическим полем с напряженностью Е (18). При обратном напряжении «прижатые » встроенным полем к границе перехода накопленные дырки намного быстрее экстрагируются p-n переходом, чем при отсутствии внутреннего поля, и создают большой обратный ток, величина которого характеризуется сопротивлением нагрузки. При этом время восстановления уменьшается в 30-50 раз. Время жизни неравновесных носителей в базе делается достаточно большим, чтобы удержать заряд, накопленный за время действия импульса прямой полярности. Это явление позволяет формировать импульсы с очень короткими задними фронтами.

Рис 34 а) распределение примесей в базе; б) переходный процесс при прохождении импульсного синапса в ДНЗ

К импульсным ДНЗ применяют такие же требования как и к обычным – минимальная величина сопротивления и базы и малая емкость p-n перехода.

Эффектом резкого восстановления обратного сопротивлении обладают в той или степени все полупроводниковые диоды, у которых переход получен методом диффузии примеси. Например диоды В312, 1А401А и ряд других.

Еще большим быстродействием по сравнению с ДНЗ обладают диоды Шотки.

Диоды Шотки

Диоды Шотки – это полупроводниковые приборы, построенные на основе структуры металл-полупроводник. Такой электрический переход обладает рядом особенных свойств (отличных от свойств полупроводникового p-n перехода). К ним относятся:

1. понижение падения напряжения при прямом включении

2. высокий ток утечки

3. очень маленький заряд обратного восстановления

последнее объясняется тем, что по сравнению с обычным p-n переходом, у таких диодов отсутствует диффузия, связанная с инжекцией неосновных носителей. То есть они работают только на основных носителях, а их быстродействие определяется только барьерной емкостью. В диодах Шотки предельная частота значительно выше обычных диодов. Изготавливают диоды Шотки обычно на основе кремния или арсенида галлия, реже на основе германия.

Вопрос 18

Туннельным диодом называют полупроводниковый диод, изготовленный на основе сильнолегированного полупроводника, в котором туннельный эффект приводит к появлению на ВАХ участка с отрицательным дифф-ным сопротивлением.

Использование полупроводников с очень высокой концентрацией примесей уменьшает ширину p-n перехода приблизительно на 2 порядка по сравнению с обычными диодами. Поэтому электроны, имеющие энергии, меньшие, чем высота энергетического барьера, тунеллируют сквозь этот тонкий барьер без изменения своей энергии.

Для существования туннельных переходов необходимо выполнение следующих условий:

1. наличие тонкого барьера, при котором квадрат амплитуды волновой функции электрона (вероятность тунеллирования) = 1

2. напряженность электрического поля должна достигать 3..5 кВ/см

3. для электрона, находящегося по одну сторону барьера, должен существовать вакантный уровень по другую сторону барьера с энергией этого электрона.

Рис 35 эквивалентная схема туннельного диода

Кроме емкости перехода и его сопротивления схема содержит сопротивление потерь (rs) и индуктивность выводов (Ls). Индуктивность является паразитным элементом схемы и ограничивает верхний частотный диапазон также как и емкость перехода. Обычно индуктивность составляет величину порядка , а емкость С=5…50пФ. Величина сопротивления потерь от десятых долей Ома до единиц Ома.

Туннельный механизм прохождения тока через переход обладает очень малой инерционностью, поскольку создание тока в нем не связано с накоплением неравновесного заряда, ток создается только основными носителями. Предельная резистивная частота может быть найдена:

резонансная частота:

Разработка конструкции туннельных диодов требует выполнения условия: .

Для этого индуктивность выводов должна быть по возможности минимальной.

Рис 36 корпус туннельного диода

выводы с целью уменьшения индуктивности ленточные и короткие. В диапазон СВЧ используют патронную конструкцию.

Достоинством туннельных диодов является высокие рабочие частоты (вплоть до СВЧ), низкий уровень шумов, высокая радиационная стойкость, температурная устойчивость, большая плотность тока.

К недостаткам следует отнести: малую отдаваемою мощность из-за низких рабочих напряжений и сильную электрическую связь между входом и выходом, что во многих случаях затрудняет использование диодов.

ВАХ туннельного диода

Параметрами туннельных диодов являются:

1. пиковый ток Iп (от десятых долей мА до сотен мА)

2. ток впадины Iв

3. отношение токов

4. напряжение пика Uп, соответствующее току Iп

5. напряжение впадины – прямое напряжение, соответствующее току впадины

6. напряжение раствора – это напряжение, соответствующее пиковому току на второй восходящей ветви ВАХ (Uрр)

7. предельная резистивная частота

8. частотная емкость туннельного диода

9. резонансная частота туннельного диода.

Обращенные диоды

Полупроводниковый диод, изготовленный из материала с концентрацией примесей в p и n областях меньшей чем, в туннельных диодах, но большей, чем в обычных, имеют своеобразную ВАХ, обращенную по сравнению с ВАХ обычных диодов. Такой диод является разновидностью туннельных и называется обращенным

Рис 37 ВАХ обращенного диода

Обращенные диоды целесообразно использовать при выпрямлении малых переменных сигналов, составляющих несколько десятых долей вольта.

Поскольку принцип действия обращенных диодов основан на туннельном эффекте, их можно использовать в быстродействующих переключающих схемах или в схемах детекторов СВЧ