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/qN_a ) dN_a/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 r_s, а на высоких частотах – сопротивлением перехода r_П.

Варикапы характеризуются следующими основными параметрами:

1. Коэффициентперекрытия по емкости

K_C = С_В1/ C_B2

где С_В1 и С_В2 – общие емкости варикапа при заданных

значениях U_обр1 и U_обр2.

2. Добротность на низких частотах

Q_НЧ = ω C_БАРr_П.

3. Добротность на высоких частотах

Q_ВЧ = 1/ ωC_БАРr_S.

4. Температурный коэффициент емкости

α C_∆ = ∆C_B / C_B ∆T .

5. Температурный коэффициент добротности

α Q_B = ∆Q_B / Q_B∆T

Варикапы в основном используются на высоких и сверхвысоких частотах, поэтому важную роль играет сопротивление потерь r_s. 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 Х_n. 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:

C_d = dQ/dU = S [(qε_rε₀N_D / (2(φ_K –U))]^1/2 (2.3)

Емкость Сd сильно возрастает при прямых смещениях (U > 0) и уменьшается при обратных (U < 0). При больших прямых смещениях (U ~ φ_K) 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 = φ_T ln(I / I_S +1) необходимо учитывать вклад падения напряжения (см. ранее с.47) на нейтральной n-области диода, равного Ir_s, где сопротивление растекания тока (сопротивление базы) можно оценить по формуле

r_S = ρ_nw / S (2.4)

где ρ_n = 1 / (qμ_nn_n₀) – 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 n_d ⁼ 5*10¹⁸ … 5*10¹⁹ см^-3 имеет значительную толщину w_п– около 200 мкм. Наличие такой подложки значительно снижает сопротивление r_б 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.

<8 9 10 11 12 1314>

Дата добавления: 2015-05-13; просмотров: 4922;