Лекция 9. Импульсные диоды. Варикапы
Импульсными называют полупроводниковые диоды, используемые в качестве ключевых элементов в схемах при воздействии импульсов малой длительности (микросекунды, доли микросекунд). Второй элемент обозначения импульсных диодов — буква «Д».
Из-за инерционности электрических процессов переключение импульсного диода из проводящего состояния в непроводящее и обратно происходит не мгновенно, а в течение некоторого времени, причем переходной процесс зависит от амплитуды входного сигнала (уровня инжекции) и внутреннего сопротивления генератора.
При малой амплитуде сигнала (уровень инжекции небольшой) можно процессами накопления и рассасывания носителей зарядов в базе пренебречь и считать, что на переходные процессы в диоде основное влияние оказывает процесс заряда барьерной емкости p-n-перехода. На рис. 3.13 показан график переходного процесса при подключении диода к генератору тока (сопротивление диода значительно больше внутреннего сопротивления генератора).
Рис. 3.13. Графики переходного процесса при подключении диода к генератору тока
В момент подачи импульса тока (t1) сопротивление емкости Сзар оказывается значительно меньше сопротивления перехода. Зарядный ток вызывает скачкообразное увеличение напряжения на диоде до Iпрr1. По мере заряда емкости Сзар напряжение на диоде увеличивается. В момент времени t2 действие импульса прекращается и напряжение на диоде скачком уменьшается на величину Iпрr1. После этого емкость Сзар разряжается.
При подключении диода к генератору напряжения ток (рис. 3.14) в момент времени t1 проходит максимальный ток заряда емкости Сзар ограниченный сопротивлением базы r1. По мере заряда емкости Сзар ток уменьшается. В момент t2 диод переключается с прямого направления на обратное и начинается перезарядка емкости Сзар. Ток перезаряда в момент t2 максимален и ограничивается в основном сопротивлением r1.
По мере перезаряда емкости Сзар ток, проходящий через диод, уменьшается, стремясь к стационарному значению обратного тока диода.
Рис. 3.14. Графики переходного процесса при подключении диода к генератору напряжения
Рассмотрим переходные процессы при высоком уровне инжекции (при больших амплитудах импульсов). Обычно сопротивление нагрузки значительно больше прямого сопротивления диода, и поэтому можно считать, что схема питается от генератора тока с амплитудой импульса тока Iпр. В момент включения импульса прямого тока сопротивление базы диода определяется равновесной концентрацией носителей заряда. Этому сопротивлению соответствует падение напряжения на диоде Uпр.и (рис. 3.15).
Рис. 3.15. Графики переходного процесса в диоде при высоком уровне инжекции
В результате возникшей инжекции в базе происходит накопление неосновных неравновесных носителей зарядов, снижающих сопротивление базы, что в первую очередь приводит к уменьшению падения напряжения на диоде до установившегося значения Uпр. Интервал времени от начала импульса до момента, когда напряжение на диоде упадет до 1,2 Uпр, называется временем установления прямого напряжения и обозначается tуст. При выключении прямого тока падение напряжения на сопротивлении базы становится равным нулю и напряжение на диоде скачком уменьшается до значения U'пр. Напряжение U'пр обусловлено зарядами, накопленными в базе в процессе инжекции, и называется послеинжекционным. По мере рекомбинации концентрация инжектированных носителей уменьшается и напряжение на диоде падает.
Рассмотрим случай, когда диод, через который проходит прямой ток, в момент времени t0 включается в обратном направлении (рис. 3.16). После переключения в цепи будет проходить обратный ток, величина которого определяется концентрацией неосновных носителей зарядов, возникшая в базе при прямом включении диода, приводит к тому, что после переключения обратный ток значительно превышает свое стационарное значение Iобр.
За счет рекомбинации и экстракции избыточная концентрация неосновных зарядов в базе уменьшается. Распределение зарядов для этого случая показано на рис. 3.17.
Рис. 3.16. Графики переходных процессов при переключении диода
Рис. 3.17. График изменения концентрации носителей в базе при переключении диода
Значение обратного тока Iобр сохраняется до тех пор, пока градиент концентрации избыточных носителей в базе у границы p-n-перехода постоянен (кривые для t0, t1, t2 на рис. 3.17). Когда избыточный заряд становится равным нулю, градиент концентрации начинает уменьшаться и обратный ток спадает до своего стационарного значения Iобр.
Промежуток времени от момента, когда отток, проходящий через диод, равен нулю, до момента достижения обратным током заданного низкого значения называется временем восстановления обратного сопротивления и обозначается tвос.
Время установления прямого напряжения и время восстановления обратного сопротивления определяют быстродействие диода, поэтому их стремятся уменьшить различными технологическими способами.
В качестве импульсных успешно используются точечные и микросплавные диоды, быстродействие которых увеличивается путем подбора легирующей примеси, уменьшающей время жизни неосновных носителей. Такой примесью к полупроводнику n-типа может быть, например, золото.
Другим способом уменьшения времени tвос является использование базы с неравномерной концентрацией примеси. У таких диодов концентрация примеси в базе при приближении к p-n-переходу уменьшается, поэтому неравномерной оказывается и концентрация основных носителей — электронов. За счет этого электроны диффундируют в сторону p-n-перехода, оставляя вдали от него нескомпенсированный заряд положительных ионов. Это приводит к возникновению в базе электрического поля, направленного в сторону перехода. Под действием этого поля дырки, инжектированные в базу при включении диода в прямом направлении, концентрируются (накапливаются) у границы p-n-перехода.
Поэтому такие диоды называют диодами с накоплением заряда.При переключении диода с прямого направления на обратное эти дырки под действием поля p-n-перехода быстро уходят из базы в эмиттер, и время восстановления обратного сопротивления уменьшается. Для изготовления таких диодов широко используется мезо- и эпитаксиальная технология.
Еще большим быстродействием обладают диоды с барьером Шоттки, возникающим на границе металл-полупроводник. В отличие от p-n-переходов перенос заряда в таких структурах осуществляется основными носителями. В них отсутствует инжекция и накопление зарядов при обратном включении. Инерционность диодов Шоттки в основном определяется емкостью выпрямляющего контакта, которая может быть меньше 0,01 пФ.
Иногда вместо tвос в справочниках приводя заряд переключения Qпк, являющийся частью накопленного заряда, вытекающего во внешнюю цепь диода при изменении направления тока с прямого на обратное.
Внешнее оформление импульсных диодов мало отличается от оформления универсальных диодов.
Варикапами называют полупроводниковые диоды, в которых используется зависимость барьерной емкости p-n-перехода от обратного напряжения. Они применяются в качестве конденсатора с электрически управляемой емкостью. Вторым элементом обозначения варикапов является буква «В». Варикапы делятся на подстроечные, умножительные, или варакторы. Условное графическое изображение варикапа показано на рис. 3.18. Подстроечные варикапы используются, например, для изменения резонансной частоты колебательных систем.
Рис. 3.18. Графическое изображение варикапа
На рис. 3.19 изображен колебательный контур, перестраиваемый с помощью варикапа. В этой схеме конденсатор С предотвращает замыкание напряжения смещения через индуктивность L.Его емкость обычно значительно превышает емкость варикапа — диода VD1. Поэтому резонансная частота контура определяется по формуле
fo = 
, (3.7)
где Св — емкость варикапа.
Рис. 3.19. Схема включения варикапа
Регулировкой напряжения смещения, подаваемого на диод с потенциометра R2 через резисторR1, можно изменять емкость диода и, следовательно, резонансную частоту колебательного контура. Резистор R1 предотвращает возможность шунтирования колебательного контура при перемещении движка потенциометра. Сопротивление резистора R1 выбирают большим резонансного сопротивления контура.
Варакторы применяются для умножения частоты сигнала. При этом используется нелинейность вольт — фарадной характеристики.
Основными специальными параметрами варикапов являются: номинальная емкость Св, измеренная при заданном обратном напряжении Uобр; коэффициент перекрытия емкости Кс; определяемый отношением емкостей варикапа при двух заданных значениях обратного напряжения; добротность Q, определяемая как отношение реактивного сопротивления варикапа к сопротивлению потерь. Например, варикап КВ109А обладает следующими параметрами: Св = 8…16 пФ при Uобр = 3 В, Кс = 4…6, Q = 300 при Uобр = 3 В и f = 50 МГц.