Универсальные и импульсные диоды

 

Они применяются для преобразования высокочастотных и им­пульсных сигналов. В данных диодах необходимо обеспечить мини­мальные значения реактивных параметров, что достигается благо­даря специальным конструктивно-технологическим мерам.

Одна из основных причин инерционности полупроводниковых диодов связана с диффузионной емкостью. Для уменьшения времени жизни t используется легирование материала (например, золотом), что создает много ловушечных уровней в за­прещенной зоне, увеличивающих скорость рекомбинации и, следовательно, уменьшается С_ДИФ.

Разновидностью универсальных диодов является диод с корот­кой базой. В таком диоде протяженность базы меньше диффузион­ной длины неосновных носителей. Следовательно, диффузионная емкость будет определяться не временем жизни неосновных носи­телей в базе, а фактически меньшим временем нахождения (вре­менем пролета). Однако осуществить уменьшение толщины базы при большой площади p-n перехода технологически очень сложно. Поэтому изготовляемые диоды с короткой базой при малой площа­ди являются маломощными.

В настоящее время широко применяются диоды с p-i-n структурой, в которой две сильнолегированные области p- и n-типа разде­лены достаточно широкой областью с проводимостью, близкой к собственной (i-область). Заряды донорных и акцепторных ионов расположены вблизи границ i-области. Распределение электричес­кого поля в ней в идеальном случае можно считать однородным (в отличие от обычного p-n перехода). Таким образом, i-область с низ­кой концентрацией носителей заряда, но обладающей диэлектриче­ской проницаемостью можно принять за конденсатор, «обкладками» которого являются узкие (из-за большой концентрации носителей в p- и n-областях) слои зарядов доноров и акцепторов. Барьерная ем­кость p-i-n диода определяется размерами i-слоя и при достаточно широкой области от приложенного постоянного напряжения прак­тически не зависит.

Особенность работы p-i-n диода состоит в том, что при прямом напряжении одновременно происходит инжекция дырок из p-области и электронов из n-области в i-область. При этом его прямое со­противление резко падает. При обратном напряжении происходит экстракция носителей из i-области в соседние области. Уменьшение концентрации приводит к дополнительному возрастанию сопротив­ления i области по сравнению с равновесным состоянием. Поэтому для p-i-n диода характерно очень большое отношение прямого и об­ратного сопротивлений, что благоприятно сказывается при использовании их в переклю­чательных режимах.

В качестве высокочастотных и универсальных диодов использу­ются структуры Шоттки и Мотта. В этих приборах про­цессы прямой проводимости определяются только основными носи­телями заряда. Таким образом, у рассматриваемых диодов отсутст­вует диффузионная емкость, связанная с накоплением и рассасы­ванием носителей заряда в базе, что и определяет их хорошие вы­сокочастотные свойства.

Отличие барьера Мотта от барьера Шоттки состоит в том, что тон­кий i-слой создан между металлом М и сильно легированным полу­проводником n⁺, так что получается структура М-i-n. В высокоомном i-слое падает все приложенное к диоду напряжение, поэтому толщи­на обедненного слоя в n⁺-области очень мала и не зависит от напря­жения. И поэтому барьерная емкость практически не зависит от на­пряжения и сопротивления базы.

Наибольшую рабочую частоту имеют диоды с барьером Мотта и Шоттки, которые в отличие от p-n перехода почти не накаплива­ют неосновных

носителей заряда в базе диода при прохождении прямого тока и поэтому имеют малое время восстановления t_ВОСТ (около 100 пс).

Разновидностью импульсных диодов являются диоды с накоп­лением заряда (ДНЗ) или диоды с резким восстановлением обрат­ного тока (сопротивления). Импульс обратного тока в этих диодах имеет почти прямоугольную форму (рисунок 3.6). При этом значение t₁ может быть значительным, но t₂ должно быть чрезвычайно малым для использования ДНЗ в быстродействующих импульсных устройствах.

Рис. 3.6. Временные диаграммы тока через импульсный диод.

 

Получение малой длительности t₂ связано с созданием внутреннего поля в базе около обедненного слоя p-n перехода путем неравномерного распре­деления примеси. Это поле является тормозящим для носителей, пришед­ших через обедненный слой при пря­мом напряжении, и поэтому препятст­вует уходу инжектированных носителей от границы обедненного слоя, заставляя их компактнее концентрироваться вблизи грани­цы. При подаче на диод обратного напряжения (как и в обычном диоде) происходит рассасывание накопленного в базе заряда, но при этом внутреннее электрическое поле уже будет способство­вать дрейфу неосновных носителей к обедненному слою перехо­да. В момент t₁, когда концентрация избыточных носителей на границах перехода спадает до нуля, оставшийся избыточный за­ряд неосновных носителей в базе становится очень малым, а, следовательно, оказывается малым и время t₂ спадания обратно­го тока до значения I₀.

 

Стабилитроны и стабисторы

 

Стабилитроном называется полупроводниковый диод, на обратной ветви ВАХ которого имеется участок с сильной зависимостью тока от напряжения (рисунок 3.7), т.е. с большим значением крутизны D I /D U (D I = I_{СТ MAX} – I_{СТ MIX}). Если такой участок соответствует прямой ветви ВАХ, то прибор называется стабистором.

Стабилитроны используются для создания стабилизаторов напряжения.

Напряжение стабилизации U_СТ соответствует напряжению электрического (лавинного) пробоя p-n перехода (рис. 3.7). Возможность получения стабильного напряжения характеризуются дифференциальным сопротивлением стабилитрона r_Д = D U /D I, которое должно быть как можно меньше.

К параметрам стабилитрона относятся: напряжение стабилизации U_СТ, минимальный и максимальный токи стабилизации I_{СТ min} и I_{CT max}, дифференциальное сопротивление r_Д, а так же температурный коэффициент напряжения стабилизации (TKU) – относительное изменение напряжения стабилизации Δ U_СТ при изменении температуры корпуса прибора на 1^о С.

Промышленностью выпускаются стабилитроны с параметрами: U_cт от 1,5 до 180 В, токи стабилизации от 0,5 мА до 1,6 А.

Выпускаются также двуханодные стабилитроны, служащие для стабилизации разнополярных напряжений и представляющие собой встречно включенные p-n переходы.

 

Рис. 3.7. К определению

параметров стабилитронов

 

Простейшая схема стабилизации напряжения с использованием стабилитрона представлена на рис. 3.8. Сопротивление нагрузки R_Н подключается параллельно стабилитрону, гасящее сопротивление R_Г служит для ограничения тока через стабилитрон.

Рис. 3.8. Схема включения стабилитрона

 

Тогда:

(3.3)

В результате уравнение нагрузочной прямой примет вид:

(3.4)

Точка пересечения этой прямой с ВАХ стабилитрона есть рабочая точка. На рис. 3.9 приведена характеристика стабилитрона и две нагрузочные прямые при двух напряжениях питания U_П1 и U_П2. При изменении напряжения источника питания (напряжения на входе схемы) нагрузочная прямая перемещается параллельно самой себе.

Рис.3.9. Характеристика стабилитрона с нагрузочными характеристиками.

 

Т.к. входное напряжение может, как увеличиваться, так и уменьшаться, то рабочая точка выбирается на середине участка стабилизации. При этом ток, текущий через стабилитрон I_СТ1 и I_СТ2 будет изменяться в соответствии с колебаниями входного напряжения, но напряжение на выходе схемы (напряжение на стабилитроне) будет оставаться практически неизменным.

В случае изменения сопротивления нагрузки при постоянном напряжении источника питания изменяется наклон нагрузочной прямой. При этом так же, как и в рассмотренном выше случае, изменяться будет ток, текущий через стабилитрон, а напряжение на стабилитроне останется постоянным.

Кроме стабилизации постоянного напряжения стабилитроны используют в стабилизаторах и ограничителях импульсного напряжения, в схемах выпрямления, в качестве управляемых емкостей, шумовых генераторов и элементов межкаскадных связей в усилителях постоянного тока и импульсных устройствах.

Разновидностью стабилитрона является стабистор, в котором для стабилизации напряжения используется прямая ветвь ВАХ. Отличительная особенность стабисторов по сравнению со стабилитронами заключается в меньшем напряжении стабилизации, составляющем примерно 0,7 В при комнатной температуре. Стабисторы могут применяться совместно со стабилитронами в качестве термокомпенсирующих элементов.

Варикапы

 

Варикапом называется полупроводниковый диод, используе­мый в качестве электрически управляемой емкости с достаточно высокой добротностью в диапазоне рабочих частот. В нем исполь­зуется свойство p-n перехода изменять барьерную емкость под действием внешнего напряжения (рис. 3.10).

Основные параметры варикапа: номинальная емкость С_Н при заданном номинальным напряжением U_Н (обычно 4 В), максимальное обратное напря- жение U_{ОБР MAX} и добротность Q.

Рис. 3.10. Зависимость емкости варикапа от напряжения.

 

Основное применение варикапов – электрическая перестройка резонансной частоты колебательных контуров. Включение варикапа в цепь для этой цели выполняют по схеме в соответствии с рис. 3.11.

Обратное управляющее напряжение на варикап подается через высокоомный резистор R, предотвращающий шунтирование контура малым внутренним сопротивлением источника, и тем самым исключается снижение добротности контура. Постоянный конденсатор С необходим для того, чтобы исключить короткое замыкание варикапа индуктивностью по постоянному напряжению. Его величина всегда много больше переменной емкости варикапа. Изменяя величину управляющего напряжения можно регулировать емкость варикапа и, следовательно, резонансную частоту контура.

Рис.3.11. Схема включения варикапа в колебательный контур

 

Параметры схемы выбирают на основе соотношений:

, где (3.5)

Основным полупроводниковым материалом для изготовления варикапов служит кремний. Используется также арсенид галлия, обеспечивающий меньшее сопротивление базы.

Для увеличения добротности варикапа используют барьер Шоттки; эти варикапы имеют малое сопротивление потерь, так как в качестве одного из слоев диода используется металл.

В настоящее время существует несколько разновидностей варикапов, применяемых в различных устройствах непрерывного действия. Это параметрические диоды, предназначенные для усиления и генерации СВЧ-сигналов, и умножительные диоды, предназначенные для умножения частоты в широком диапазоне частот. Иногда в умножительных диодах используется и диффузионная емкость.

Контрольные вопросы к разделу 3

Что называется полупроводниковым диодом?

Назначение и параметры выпрямительных диодов.

Назначение и требования к ВЧ диодам

Назначение и параметры стабилитронов

Назначение и параметры варикапов

 

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

 

В полевых тран­зисторах, управление потоком основных носителей заряда осуществляется в области полупроводника, назы­ваемой каналом, путем изменения его поперечного сечения с помощью электрического поля. Полевой транзистор имеет следующие три электрода: исток, из которого вытекают носители в канал, сток, в который носители втекают из канала, и затвор, предназначенный для регулирования тока путем изменения поперечного сечения канала.

Преимуществом полевых транзисторов является также и то, что ассортимент полупроводниковых материалов для их изготовления значительно шире (так как они работают только с основными носителями заряда), благодаря чему возможно создание, например, температуростойких приборов. Большое значение также имеют низкий уровень шумов и высокое входное сопротивление этих транзисторов.

Существует несколько разновидностей полевых транзисторов, различающихся физической структурой и способом управления проводимостью канала, которые в ряде устройств работают более эффективно, чем биполярные.