Диоды с накоплением заряда (ДНЗ)

 

Как уже указывалось, при работе диода в импульсном режиме существенное значение при использовании его в быстродействующих схемах имеет время восстановления обратного сопротивления. Значительно улучшить этот параметр можно, если изготовить переход методом диффузии примесей. В этом случае распределение концентрации примесей полупроводников будет неравномерным (рис. 2.13, а). Такое распределение концентрации вызовет встречное диффузионное и дрейфовое движение потоков носителей, в результате чего установится состояние равновесия с определенной напряжённостью электрического поля:

E = (kT/qNa ) dNa /dx (2.2)

а б

Рис. 2.13

 

Если приложить к диоду прямое напряжение, то дырки будут инжектироваться в базу диода, однако из-за наличия внутреннего тормозящего поля они не смогут проникать вглубь области базы, а будут прижаты внутренним полем непосредственно к границе перехода. Если теперь к диоду приложить обратное напряжение, то накопленные дырки намного быстрее уйдут в p-n-переход, чем при отсутствии внутреннего поля и создадут большой обратный ток, величина которого ограничивается сопротивлением нагрузки. При этом время восстановления уменьшается в 30 – 50 раз. Это явление позволяет формировать импульсы с очень короткими задними фронтами (рис. 2.13, б). К импульсным ДНЗ предъявляют такие же требования, как и к обычным: минимальная величина сопротивления базы и малая емкость p-n-перехода. Отличительной особенностью диодов с накоплением заряда является лишь то, что для них время жизни неравновесных носителей в базе делается достаточно большим, чтобы «удержать» заряд, накопленный за время действия импульса прямой полярности. Эффектом резкого восстановления обратного сопротивления обладают в той или иной степени все полупроводниковые диоды, у которых переход получен методом диффузии примесей.

Указанным эффектом обладают, например, диоды Д312, 1А401А и ряд других.

2.8. Варикапы

Полупроводниковый прибор с одним или несколькими p-n- переходами может быть использован в качестве конденсатора с электрически управляемой емкостью. Такие приборы получили название варикапов. Эквивалентная схема варикапа показана на рис. 2.14, а, а зависимость барьерной емкостиот напряжения – на рис. 2.14, б

А б

Рис. 2.14

 

На низких частотах можно пренебречь влиянием сопротивления базы rs, а на высоких частотах – сопротивлением перехода rП.

Варикапы характеризуются следующими основными параметрами:

1. Коэффициентперекрытия по емкости

KC = СВ1/ CB2

где СВ1 и СВ2 – общие емкости варикапа при заданных

значениях Uобр1 и Uобр2.

2. Добротность на низких частотах

QНЧ = ω CБАР rП.

3. Добротность на высоких частотах

QВЧ = 1/ ωCБАР rS.

4. Температурный коэффициент емкости

α C = ∆CB / CBT .

5. Температурный коэффициент добротности

α QB = ∆QB / QBT

Варикапы в основном используются на высоких и сверхвысоких частотах, поэтому важную роль играет сопротивление потерь rs. Для его уменьшения необходимо выбирать материал с малым удельным сопротивлением. Обычно используют германий, кремний и арсенид галлия n-типа.

Варикапы могут использоваться для автоматической подстройки частоты, в малошумящих параметрических усилителях, в схемах умно­жения частоты (варакторы). К варикапам относятся диоды КВ102А-Д, 2B110A-E, Д901, Д902, к параметрическим – 1A404A, 1А408Б, к умножительным (варакторам) – 2A601A, 2A613B.

 

2.9. Диоды Шотки

 

Диод Шотки – это полупроводниковый диод, выпрямительные свойства которого основаны на взаимодействии металла и обедненного слоя полупроводника.

Для создания диодов Шотки (ДШ) используется переход металл – полупроводник. Работа этих диодов основана на переносе основных носителей заряда и характеризуется высоким быстродействием, так как в них отсутствует характерное для p-n - переходов накопление неосновных носителей заряда. ДШ используют в качестве элементов интегральных микросхем, а также в качестве дискретных приборов. Маломощные ДШ изготовляются на осно­ве кремния и арсенида галлия n-типа и предназначаются для преобразования сигнала СВЧ- диапазона (выпрямление, смешение частот, модуляция) и для импульсных устройств. Силовые (мощные) ДШ для силовой полупроводниковой электроники изготавливаются на основе кремния n-типа, имеют рабочие токи до нескольких сот ампер, исключительно высокое быстродействие (по сравнению с диодами на основе p-n - переходов), но низкие рабочие напряжения, не превышающие нескольких десятков вольт.

Низкие рабочие напряжения ДШ прежде всего связаны с наличием «краевых» эффек­тов при лавинном пробое перехода, которые имеют место на периферии металлического контакта. Дело в том, что с увеличением обратного напряжения увеличивается напряжен­ность электрического поля в обьемном пространственном заряде (ОПЗ) ДШ. При критических полях 300 кВ/см в кремнии начина­ется ударная ионизация электронно-дырочных пар и лавинное размножение, приводящее к сильному возрастанию обратного тока перехода.

Для ослабления краевого поля и повышения напряжения пробоя было предложено множество конструкций ДШ, наиболее удачной и употребительной из которых является структура с охранным p-n - переходом (рис. 2.15).

 

 

Рис. 2.15

 

На этом рисунке цифрой 1 показан металл анода, 2 – слой оксида, 3 – охранное кольцо, 4 – ОПЗ, 5– активный слой базы, 6 – сильно легированная подложка, 7 – металл катода.

Таким образом, при глубине залегания p-n- перехода в не­сколько микрометров удается повысить напряжение пробоя ДШ до нескольких десятков вольт. Дальнейшее повышение напряжения требует создания широкого и глубокого охранного p-n - перехода. Однако при больших прямых токах такой p-n - переход сам начинает «работать», инжектируя неосновные носители заряда (дырки) в n - область диода. Это приводит к накоплению большого избыточного заряда дырок, что совместно с дополнительной ем­костью охранного p-n перехода ухудшает быстродействие ДШ.

Основная причина инерционности ДШ связана с перераспределением заряда вблизи гра­ницы ОПЗ при изменении внешнего напряжения U, т. е. с изменением толщины барьера Хn. Такое поведение диода подобно поведению конденсатора. Заряд конденсатора связан нелинейной функциональной зависимостью с напряжением U, т. е. имеет нелинейную кулоно-вольтную характеристику. Количественно такая нелинейная емкость определяется дифференциальным соотношением:

 

Cd = dQ/dU = S [(qεrε0ND / (2(φKU))]1/2 (2.3)

 

Емкость Сd сильно возрастает при прямых смещениях (U > 0) и уменьшается при обратных (U < 0). При больших прямых смещениях (U ~ φK) нарушаются допущения, принятые при вы­воде этой формулы (предположение о полном обеднении ОПЗ), и эта формула становится непригодной. Полная емкость ДШ должна учитывать и емкость конструкции корпуса диода, которая может быть существенной для маломощных СВЧ- диодов. Как правило, в силу сложной геомет­рии емкость корпуса не рассчитывают, а измеряют на макете прибора (без подключения по­лупроводникового кристалла). В конструкциях с охранным p-n- переходом вклад барьерной емкости p-n- перехода может быть соизмерим с емкостью барьера Шотки.

При больших прямых смещениях кроме напряжения на барьере

U = φT ln(I / IS +1) не­обходимо учитывать вклад падения напряжения (см. ранее с.47) на нейтральной n-области диода, равного Irs, где сопротивление растекания тока (сопротивление базы) можно оценить по формуле

rS = ρnw / S (2.4)

где ρn = 1 / (qμnnn0) – удельное сопротивление n-области;

w – толщина активной области кристалла (базы).

Диод Шотки изготовляют групповым способом на пластинах больших диаметров. Для обеспечения механической прочности пластины (во избежание поломки) толщина пла­стины должна быть более 150…200 мкм. Однако для ДШ с рабочим напряжением до 50 В толщина активной области кристалла не должна превышать 10 мкм. Выходом является конструкция на рис. 2.15, активный слой которой w = 2…10 мкм, а сильнолегированная подложка с концентрацией доноров nd = 5*1018 … 5*1019 см-3 имеет значительную толщину wп – около 200 мкм. Наличие такой подложки значительно снижает сопротивление rб и облегчает созда­ние омического контакта с металлом катода. На рис. 2.16, а показаны прямые характеристики ДШ (1) и для сравнения приведена ВАХ диода с p-n- переходом (2) в области больших токов, а на рис. 2.16, б – для малых токов соответственно.

 

а б

Рис. 2.16

 

Обратные токи ДШ на 3 – 4 порядка больше обратных токов диодов с p-n- переходом, а прямые напряжения для ДШ значительно ниже.

К диодам Шотки относятся КДШ297АС1, КДШ2968ВС, 2Д219А, КД 2997, КД 2999 и ряд других.

 

 








Дата добавления: 2015-05-13; просмотров: 5038;


Поиск по сайту:

При помощи поиска вы сможете найти нужную вам информацию.

Поделитесь с друзьями:

Если вам перенёс пользу информационный материал, или помог в учебе – поделитесь этим сайтом с друзьями и знакомыми.
helpiks.org - Хелпикс.Орг - 2014-2024 год. Материал сайта представляется для ознакомительного и учебного использования. | Поддержка
Генерация страницы за: 0.009 сек.