2. Назначение, устройство, характеристики, параметры импульсных и туннельных диодов

Импульсные диоды широко используются в качестве ключевого элемента, имеющего два состояния – открытое (сопротивление диода мало) и закрытое (сопротивление диода велико). Время перехода диода из одного состояния в другое должно быть по возможности малым, так как этим определяется быстродействие аппаратуры.

Рассмотрим процессы в диоде при переключении (рис. 4).

На рис.5 показаны временные диаграммы тока и напряжения на диоде при переключении. На протяжении времени t₁, предшествующего переключению, через диод проходит импульс прямого тока I₁.

При переключении диода на обратное напряжение его сопротивление вначале оказывается небольшим вследствие того, что база насыщена зарядами, накопленными во время прохождения прямого тока. Поэтому обратный ток I₂, проходящий через диод, имеет вначале большую величину.

С течением времени накопленный заряд частично выводится из базы током I₂, а частично исчезает вследствие рекомбинации, поэтому переход восстанавливает высокое обратное сопротивление, обратный ток диода падает до установившегося значения I_обр.

Изменение концентрации накопленного заряда в базе диода в режиме переключения показано на рис.6. К моменту окончания прямого импульса в базе существует установившееся распределение концентрации (кривая t=0). Когда возникает обратный ток I₂, кривая t¹ распределения концентрации у перехода получает обратный наклон. Создается диффузионный ток дырок из базы в переход. Одновременно из базы во внешнюю цепь в таком же количестве выводятся электроны, чем сохраняется нейтральность базы. Неравновесная концентрация неосновных носителей заряда уменьшается как за счет рассмотренного процесса, так и вследствие рекомбинации. Градиент концентрации носителей заряда у перехода и ток остаются при этом постоянными до тех пор, пока концентрация дырок у перехода не спадает до нуля (t=t₂). Далее градиент концентрации начинает уменьшаться, и обратный ток достигает величины I_обр.

Напряжение на диоде меняется следующим образом. В первый момент после включения прямого тока на диоде наблюдается всплеск напряжения. Это объясняется тем, что из-за ограниченной скорости диффузии носителей заряда база диода сразу после включения еще не насыщена неравновесными носителями и ее сопротивление повышено. По мере накопления носителей заряда сопротивление базы падает, и напряжение снижается до величины U_пр.

После переключения диода напряжение на нем в течение первой фазы рассасывания t₂ остается положительным за счет неравновесного заряда, медленно убывая до нуля. Затем напряжение диода, изменив полярность, нарастает постепенно до значения напряжения источника.

Длительность переключения диода с прямого направления на обратное (t₂+t₃) зависит от времени жизни носителей заряда в базе, а также от соотношения между прямым и обратным токами.

Быстродействие диода как ключа определяют два параметра – время установления прямого напряжения и время восстановления обратного сопротивления.

Время установления прямого напряжения – это интервал времени от момента подачи импульса прямого тока на диод до момента достижения заданного значения прямого напряжения – обычно 1,1U_пр.

Время восстановления обратного сопротивления – это интервал времени от момента прохождения тока через нуль после переключения диода до момента достижения обратным током заданного значения (0.1 – 0,01 I_пр). По времени восстановления переключающие диоды подразделяются на три группы:

– высокого быстродействия (t_вос < 10 нс);

– среднего быстродействия (10 нс < t_вос <100 нс);

– низкого быстродействия (t_вос > 100 нс).

Сплавные диоды характеризуются низким быстродействием (t_вос > 0,5мкс). Точечные диоды имеют t_вос< 0.1мкс, однако у них мал прямой ток (20 – 50мА) и невелико обратное напряжение (не более 20 В). Значительно большей скоростью переключения, большей величиной прямого тока, стабильностью и малым их разбросом отличаются меза-диоды. У них t_вос =10 – 50 нс при прямом токе до 500 мА и обратном напряжении до 100 В (рис. 7).

Для переключения может быть использован участок лавинного пробоя диода на обратной ветви его вольтамперной характеристики (t_вос = 0.01 нс). Эффективным типом импульсных диодов являются металлополупроводниковые диоды (диоды Шоттки).

Туннельный диод – это полупроводниковый диод на основе вырожденного полупроводника, у которого на прямой ветви вольтамперной характеристики имеется падающий участок, обладающий отрицательной дифференциальной проводимостью.

Вырожденными являются полупроводники с высокой концентрацией примеси, порядка 10^{19 –} 10²⁰ см³ (в обычных диодах концентрация примесей не превышает 10¹⁷ см³). Такие p-n структуры обладают рядом особенностей:

– толщина p-n-перехода очень мала (около 10 мкм, что на два порядка меньше, чем в обычных диодах);

– примесные уровни образуют сплошные зоны, которые примыкают к зоне проводимости в п-области и к валентной зоне в р-области. Уровень Ферми при этом располагается в разрешенных зонах.

Следствием является наличие туннельного эффекта – прохождение потенциального барьерар-п-перехода частицей (электроном) в случае, если с другой стороны этого барьера есть такой же свободный энергетический уровень, какой частица занимает перед барьером. Туннельный переход совершается электронами без затраты энергии. Характеристика туннельного диода имеет следующий вид (рис. 8).

Основные параметры туннельного диода:

– пиковый ток I_п – прямой ток в точке максимума ВАХ. Его величина может достигать сотен мА;

– ток впадины – I_в – прямой ток в точке минимума ВАХ;

– отношение токов I_п /I_в. Для германиевых диодов I_п /I_в=3 – 6, для арсенид-галиевых I_п /I_в = 10;

– напряжение пика – U_п. Для германиевых диодов U_п= 40 – 60 мВ, для арсенид-галиевых U_п= 100 – 150 мВ;

– напряжение впадины U_в. Для германиевых диодов U_в=250 – 350 мВ, для арсенид-галиевых U_в = 400-500 мВ;

– напряжение раствора U_рр – прямое напряжение, большее напряжения впадины, при котором ток равен пиковому;

– отрицательная дифференциальная проводимость в центре падающего участка может достигать сотен миллиампер на вольт.

Наличие отрицательной проводимости у туннельного диода позволяет использовать его для генерирования и усиления колебаний, преобразования и переключения. Так как ток в диоде создается основными носителями, прохождение которых не связано с накоплением неравновесных зарядов, прибор обладает чрезвычайно малой инерционностью, что позволяет работать на высоких частотах.

Таким образом, импульсные диоды должны быстро переключаться из открытого состояния в закрытое и наоборот. Поэтому они должны обладать малой собственной емкостью, не накапливать заряд в базе (или он должен быстро выводиться). Этими же свойствами обладают и туннельные диоды, которые наряду с этим потребляют малую мощность, устойчивы к радиационному излучению, имеют малые габариты и массу.