Импульсные, высокочастотные (ВЧ) и сверхвысокочастотные (СВЧ) диоды

8. Импульсные, высокочастотные (ВЧ) и сверхвысокочастотные (СВЧ) диоды

 

Импульсные диоды.

Импульсные диоды предназначены для работы в импульсных цепях с длительностями импульсов от нескольких нс до нескольких мкс. Рассмотрим работу обычного p-n перехода при подаче на него импульсного напряжения.

Рисунок 28

Рисунок 29

В промежуток времени от 0 до t1 p-n переход закрыт (обратным напряжением пренебрегаем). В момент t1 p-n переход открывается, но ток через него и через нагрузку достигает своего максимального, то есть установившегося значения, не мгновенно, а за время tуст., которое необходимо для заряда барьерной ёмкости p-n перехода.

В момент времени t2 p-n переход почти мгновенно закрывается. Область p-проводимости оказывается насыщенной неосновными носителями зарядов, то есть электронами. Не успевшие рекомбинировать электроны под действием поля закрытого p-n перехода возвращаются в n-область, за счёт чего сильно возрастает обратный ток. По мере ухода электронов из p-области обратный ток уменьшается, и через время tвосст. p-n переход восстанавливает свои «закрытые» свойства. В импульсных диодах время восстановления и установления должны быть минимальными. С этой целью импульсные диоды конструктивно выполняются точечными или микросплавными. Толщина базы диода делается минимальной. Полупроводник легируют золотом для увеличения подвижности электронов.

Диоды ВЧ.

Это универсальные диоды, которые могут быть детекторными, модуляторными, импульсными при достаточных длительностях импульса, и даже выпрямительными при малых токах нагрузки. Основное отличие ВЧ диодов – обратная ветвь вольтамперной характеристики плавно понижается (увеличивается обратный ток, постепенно переходя в область электрического пробоя) (рис. 30).

Рисунок 30

Такое понижение обратной ветви ВАХ объясняется усиленной термогенерацией собственных носителей зарядов на малой площади p-n перехода.

Микросплавные ВЧ диоды имеют бoльшую барьерную ёмкость, чем точечные, и для того, чтобы их можно было использовать на высоких частотах, вблизи p-n перехода понижают концентрацию акцепторной и донорной примеси.

Рисунок 31

Понижение концентрации примеси приводит к увеличению ширины p-n перехода, следовательно, к уменьшению барьерной ёмкости:

 

СВЧ диоды.

На СВЧ используются диоды Шоттки и диоды с p-n переходом, площадь которого значительно меньше, чем у точечных.

Рисунок 32

Заострённая вольфрамовая проволока в виде пружины прижимается к базе с определённым усилием, за счёт чего образуется очень малой площади p-n переход.

9. Диод Есаки (туннельный диод) и его модификации

Японский физик Лео Есаки в 1958 г создал случайно диод с необычными свойствами, заключающимися в наличии участка с отрицательным сопротивлением и способностью усиливать сигнал. В процессе изучения внутренней полевой эмиссии в вырожденном германиевом p-n переходе он обнаружил "аномальную" ВАХ: дифференциальное сопротивление на одном из участков характеристики было отрицательным. Этот эффект он объяснил с помощью концепции «квантовомеханического туннелирования» и при этом получил приемлемое согласие между теоретическими и экспериментальными результатами. Не беда, что туннелирование нарушает законы физики: туннелировать, -значит, проникать сквозь барьер, как значительно позже стал проникать Дэвид Коперфильд через Великую Китайскую стену. Если б такое было возможным, электроны в атомах могли бы перескакивать с одной орбиты на другую, наступил бы процесс спонтанной мутации химических элементов и полный хаос. Появление же указанного эффекта исключительно в теории полупроводников лишь подчеркивает ее блефовую основу и полную несостоятельность квантовомеханической теории.

Туннельный диод представляет собой простой p-n переход, обе стороны которого сильно легированы. Это означает, что в диоде Есаки (ДЕ) образуются дополнительные переходы (рис. 33)

Рисунок 33 - Дополнительные переходы диода Есаки.

Малая ширина основного перехода рождает принципиально новое свойство, связанное с неидеальностью линии границы перехода. Ширина d оказывается распределенной неравномерно по сечению канала (рис.34), отчего диод оказывается состоящим из многих параллельно включенных диодов с различающимися значениями d, причем некоторые участки сечения образуют встречное включение переходов. Сумма этих участков может рассматриваться как один паразитный диод.

Рисунок 34 - Вероятностное представление границ перехода ДЕ.

а- нормальное соотношение между шириной перехода и нестабильностью его границ; б- потенциалы границ при нормальном соотношении; в- взаимное перекрытие границ перехода.

Дополнительные переходы также должны выполняться с резкой границей, что позволит им также переходить в режим паразитной проводимости.

В отличии от существующей теории мы рассматриваем векторы напряженностей, а не разностей потенциалов. Это оказывается решающим фактором для независимого анализа группы параллельных диодов, поскольку появляются участки с противоположным направлением напряженности. На рис. 35 схематично изображен ДЕ, в котором дополнительные переходы объединены в один. Теперь анализ работы ДЕ распадается на несколько частей: состояние основного и дополнительного переходов, а также включения или выключения паразитных режимов. Число сочетаний режимов 4-х диодов становится большим, поэтому анализ работы диода проводим раздельно.

Рисунок 35 - Схематическое представление ДЕ.

Введем признаки принадлежности параметров тому или иному диоду: параметры паразитных диодов будем отмечать точкой вверху, что позволит нам сохранить обозначения без индексов для нормального диода основного перехода.

В исходном состоянии замыкание внешних выводов ДЕ приводит к глубокому запиранию обоих переходов (рис.4), что означает включение паразитных диодов. Приложив внешнее прямое напряжение, мы еще сильнее открываем диод , но запираем диод , приближая основной переход к открыванию. Именно в этот момент происходят самые любопытные процессы. Поэтому целесообразно дальнейшее рассмотрение сосредоточить на этой фазе переключения основного перехода.

На рисунке 36 показаны ВАХ диодов основного перехода.

Рис. 36. Вольтамперные характеристики нормального (1) и паразитного (2) диодов основного перехода.

В момент достижения напряжения пятки Ud= UП паразитный диод закрывается. Одновременно открывается нормальный диод и на участке кривой 2, помеченном пунктирной линией, их токи будут вычитаться, что и приводит к появлению горба результирующей ВАХ (рис.37). Рост тока нормального диода приводит к еще одному нюансу, а именно – к появлению положительной обратной связи. Она создается за счет падения напряжения на ширине  перехода протекающим током и, суммируясь с исходной разностью потенциалов ∆φ , заметно повышает крутизну ветви 1. поэтому результирующая ВАХ (рис. 4) представляет собой не просто разность токов двух диодов (участок АБ), а еще и некоторое усиление ее.

Рисунок 37 - Результирующая ВАХ диода Есаки.

Нагрузочная линия задает наклон переключения рабочей точки диода. В прямом направлении переключение показано стрелкой из точки А, в обратном – выбор происходит автоматически в момент равенства динамического сопротивления диодов.

Ток паразитного диода выражается аналогично обычному диоду и для прямого смещения запишем

(1),

где a- коэффициент, характеризующий долю поперечного сечения канала, перешедшую к паразитному диоду;

b- коэффициент, характеризующий разность потенциалов на переходе паразитного диода относительно – основного .

Динамическое сопротивление паразитного диода определяем дифференцированием

 (2).

 

Модификации диода Есаки.

Степень легирования крайних зон ДЕ определяет, насколько открыты паразитные диоды при нуле входного напряжения. Для изменения величины

свобода есть только в перепаде потенциалов дополнительных переходов . Как изменится результирующая ВАХ диода? С уменьшением  кривая 2 на рис. 3 сдвигается вниз и влево, уменьшая пиковое значение тока. Горб на результирующей ВАХ уменьшается и может исчезнуть (рис. 38). Этот вариант ДЕ получил название обращенный диод, поскольку для малых напряжений прямая ветвь ВАХ может использоваться в качестве обратной.

Рисунок 38 - Вольтамперная характеристика обращенного диода.

Если наряду со снижением разности потенциалов дополнительного перехода выполнить его несколько более широким, паразитный диод  перестанет открываться и станет похожим на обычный, но только до некоторого значения обратного напряжения, называемого напряжением пробоя. Обратная ветвь такого диода сдвигается влево, как показано на рисунке 39.

Рисунок 39 – Вольтамперная характеристика стабилитрона.

Этот вид пробоя назван зенеровским (по другой транскрипции ценеровским) по имени немецкого физика Zener, впервые обнаружившего это явление.

Еще один очень интересный эффект использует принцип ДЕ – лавинный диод. В зенеровском пробое открывается нормальный диод дополнительного перехода, имеющего меньшую крутизну потенциалов (рис. ), чем основной переход. Если из диода Есаки исключить (или сильно уменьшить) дополнительное легирование краев канала и расширить зону перехода (теперь речь только об основном переходе), то образование паразитного диода  может происходить при очень больших напряжениях. В этом случае, как и в случае «туннельного диода» также появляется положительная обратная связь за счет малого (но уже заметного) обратного тока. Крутизна образовавшегося паразитного диода повышается и его ВАХ стремится занять положение, соответствующее меньшему напряжению в сравнении с напряжением пробоя (рис.40).

Рисунок 40

В результате, получилось физическое описание процессов, не прибегая к уловкам и не вводя туннельных и прочих эффектов. А названные типы полупроводниковых приборов относятся к одному классу – диодов Есаки.