Импульсные диоды.

Импульсными называют диоды, которые предназначены для работы в импульсных схемах: широкополосных ограничителях, элементах цифровых вычислительных машин, ключевых устройствах и т.д. В таких схемах напряжения и токи могут меняться скачками. При этом диод часто работает в режиме переключения: из состояния "открыто" переходит в состояние "закрыто" либо наоборот.

Переключение диода из одного состояния в другое происходит не мгновенно, а в течение некоторого конечного интервала времени, что ог­раничивает быстродействие импульсных схем. В основе инерционности процессов переключения лежат явления накопления и рассасывания неравновесного заряда в базе диода. Этот заряд образуется при протекании через диод прямого тока и представляет собой заряд инжектированных дырок (имеется в виду диод с базой типа n) и электронов, поступающих в базу от внешнего источника для обеспечения ее электрической нейтральности. Он получил название накопленного за­ряда диода.

Если через диод протекает импульс прямого тока с амплитудой I_{пр и}и длительностью T_и, то к моменту окончания импульса, накопленный заряд равен:

При

В случае, если толщина базы диода w<<L_p, (L_p - диффузионная длина для дырок) накопленный заряд опре­деляется не временем жизни t_p, а временем пролёта носителей через базу , (D_p - коэффицент диффузии дырок):

.

Рассмотрим два наиболее часто встречающихся на практике режима работы диода:

1. Прохождение прямоугольного импульса прямого тока через диод.

2. Переключение диода из открытого состояния в закрытое (переключение с прямого напряжения на обратное)

Прохождение импульса прямого тока через диод. Этот режим работы иллюстрируется простейшей схемой рис. 2.11.

В момент замыкания ключа Кл (t = tвкл, рис. 2.11) через диод начинает протекать прямой ток Iпри, величина которого определяется э.д.с. источника E и резистором R:

(рис. 2.12,а).

При резком возрастании тока вследствие инерционности процессов диффузии стационарное распределение концентрации не основных неравновесных носителей в базе диода, соответствующее току Iпри, не может установиться мгновенно. На рис. 2.13 показано распределение дырок в базе диода в различные моменты времени (стрелки показывают направление увеличения времени).

В начальные моменты времени после включения тока происходит накопление инжектируемых дырок, так как скорость рекомбинации их (Q_инж – заряд инжектированных дырок) невелика ввиду малости Q_инж. С увеличением заряда Q_инж скорость рекомбинации возрастает. Заряд достигает своего стационарного значения, когда все дырки, инжектируемые через переход, рекомбинируют в базе. Из рис. 2.13 следует, что в области базы, примыкающей к p-n переходу, концентрация дырок устанавливается быстрее, чем в глубине базы. В соответствии с этим напряжение на p-n переходе , определяемое величиной p_n(0,t), устанавливается быстрее, нежели напряжение на базе . Характер установления напряжения на p-n переходе показан на рис. 2.12.б. Как видно, p-n переход ведет себя подобно конденсатору.

Падение напряжения на базе меняется так, как показано на рис. 2.12,в.

В начальный момент после подачи импульса тока сопротивление базы определяется лишь ее геометрическими размерами и удельным сопротивлением полупроводника. В дальнейшем с течением времени полное сопротивление базы будет уменьшаться за счет накопления инжектированных дырок и электронов, вошедших в базу от внешнего источника. Вследствие этого, падение напряжения на базе будет уменьшаться. Таким образом, базовая область в противоположность p-n переходу имеет индуктивную реакцию. Разница между и будет тем значительнее, чем больше величина прямого тока. Поэтому напряжение на диоде будет зависеть от величины и протекать по трем различным законам.

При малых токах, когда значительно меньше диод ведет себя как емкость: напряжение постепенно нарастает до установившегося значения.

При больших токах определяющими становятся процессы в области ба­зы, и диод ведет себя подобно индуктивности: после броска прямого нап­ряжения наблюдается его постепенный спад. В промежуточных случаях процесс установления напряжения на диоде может носить колебательный характер. Последнее связано с тем, что при средних величинах тока нарастание напряжения не может компенсировать для любого момента времени уменьшение напряжения , т.к. скорости изменения этих напряжений различны.

На рис. 2.14 представлены графики установления напряжения на диоде для трех рассмотренных случаях.

Процесс установления напряжения на диоде для первого случая при­нято характеризовать двумя, параметрами: максимальным импульсным сопро­тивлением R_июмакс и временем установления прямого сопротивления диода t_уст.

Импульсным сопротивлением диода называется отношение максималь­ного импульсного прямого напряжения на диоде U_{пр и макс} к импульсу прямого тока I_при, т.е. . Временем установления прямого сопротивления диода называют интер­вал времени от начала включения импульса прямого тока до момента, ког­да напряжение на диоде упадет до (рис. 2.14 ).

При выключении импульса прямого тока будет наблюдаться переходный процесс рассасывания накопленных в базе неравновесных носителей. Этот процесс заключается в рекомбинации неравновесных носителей и их уходе во внешнюю цепь, если последняя замкнута.

В течение всего времени, пока на границе p-n перехода имеется неравновесная концентрация носителей, р-п переход остается смещен­ным в прямом направлении, и его можно рассматривать как генератор нап­ряжения. При этом возможны следующие случаи:

1. В момент выключения прямого тока цепь диода размыкается. Па­дение напряжения u_Б(t) становится равным нулю. Нестационарное нап­ряжение на диоде, называемое послеинжекционной э.д.с., затухает со временем вследствие рекомбинации неравновесных носителей в объеме базы и на контактах (рис.2.15). Ток в цепи естественно отсутствует. Уменьшение послеинжекционной э.д.с. описывается выражениями:

т.е. вначале послеинжекционная э.д.с. спадает по линейному закону, а затем - по экспоненциальному (рис. 2.15).

2. После выключения прямого тока цепь диода остается замкнутой вследствие подключенного параллельно диоду резистора нагрузки . В этом случае, после прекращения прямого тока через диод начинает про­текать ток обратного направления, обусловленный послеинжекционной э.д.с. и равный

. Процесс рассасывания убыстряется, и спад напряжения на диоде происходит быстрее (рис. 2.15). Причем в начале не влияет на вид функции , так как убыль избыточных дырок в объеме базы за счет рекомбинации превышает их убыль за счет обратного тока. В дальнейшем же убыль дырок будет в основном определяться только протекающим током.

Переключение диода с прямого напряжения на обратное. Простейшая схема для наблюдения картины переходного процесса тока диода при переключении его c пря­мого напряжения на обратное представлена на рис.2.16.

Резистор определяет величину прямого тока через диод. Сопротивление резистора выбирается малым (от единиц до десятых долей Ома).

Рассмотрим процессы, протекающие в диоде после мгновенного из­менения знака приложенного напряжения на обратный.

На рис. 2.17 показано распределение концентрации дырок в базе диода в различные моменты времени после переключения.

Стрелки указы­вают направление возрастания времени. В момент переключения ток через диод изменяет свое направление на обратное, и

изменяется знак градиента концентрации при . Дырки начинают уходить из n области в р область. Одновременно из базы во внешнюю цепь в таком же количестве будут выводиться электроны, вследствие чего сохраняется электрическая нейтральность базы. Концентрация неравновесных носителей в базе будет уменьшаться как за счет рассмотренного процесса, так и их рекомбинации. Поэтому из базы будет выводиться меньший, чем накопленный , заряд неравновесных носи­телей , называемый зарядом переключения.

В начальной стадии переходного процесса, пока больше своего равновесного значения , на р-п переходе сохраняется прямое напряжение, равное . В некоторый момент времени становится равным , и переходит через ноль, а затем меняет знак.

После этого наблюдается уменьшение тока, так как начинает уменьшаться градиент концентра­ции дырок на границе р-n перехода.

На рис. 2.18 показаны зависимости тока диода и напряжения на нем в процессе переключения. Весь переходный процесс можно разделить на две фазы. В течение первой фазы, длительностью , когда на гра­нице р-n перехода (х=0) , в цепи протекает обратный ток . Величина этого тока определяется только параметрами внешней це­пи и не зависит от свойств самого диода: . Первую фазу называют фазой высокой обратной проводимости. Длительность её возрастает с увеличением , так как уменьшается количество носителей, отводимых во внешнюю цепь в единицу времени. Однако возрастание не может быть неограниченным, поскольку носители не только отводятся во внешнюю часть, но и рекомбинируют в объеме базы. Для плоскостных импульсных диодов

и .

В течение первой фазы напряжение на диоде положительно и становится равным нулю в конце ее. Прикладываемое обратное напряжение падает в это время на .

Вторая фаза переходного процесса - фаза восстановления обратного сопротивления диода. Во время этой фазы обратный ток спадает по за­кону, определяемому свойствами самого диода. Теоретически вторая фаза продолжается неограниченно долго. Практически длительность ее определяется интервалом времени (рис. 2.18,б), по истечении которой обратный ток достигает заданного малого значения (k - величина, несколько большая единицы). У плоскостных диодов .

Если из схемы рис. 2.16, исключить R₁ и R₂ и пренебречь сопротивлением базы и омических контактов, то со временем изменение концентрации дырок в базе после переключения будет происходить так, как пока­зано на рис. 2.17 прерывистыми линиями. Этому соответствует бесконеч­но большой выброс обратного тока (рис. 2.18,б). На самом деле такого выброса не будет, так как объемное сопротивление базы и омических контактов реальных диодов составляют величину порядка нескольких омов.

Основным параметром, характеризующим работу диода в режиме переключения является время восстановления обратного сопротивления. Это интер­вал времени (рис. 2.18 б), измеряемый от момента прохождения тока через ноль после переключения диода до момента достижения обратным током заданного (отсчетного) значения (рис. 2.18 б).

Кроме того, электрические свойства импульсных диодов характеризуются максимальным обратным напряжением , прямым падением напряжения при заданном прямом токе , обратным током при заданном напряжении .

Предельный режим работы импульсных диодов характеризуют максимальным импульсным обратным напряжением и максимальным зна­чением импульса прямого тока .

2.11. Диоды с накоплением заряда. Диоды с накоплением заряда представляют собой разновидность импульсных диодов. Их особенностью является наличие электрического поля в базе, создавае­мого за счет неравномерного распределения в ней примесей. Примеры не­равномерного распределения примесей показаны на рис. 2. 19.

, то концентрация подвижных носителей .

Наличие градиента концентрации вызывает появление диффузионного тока электронов, направленного в сторону уменьшения их концентра­ции и равного . Уход электронов влечёт за собой появление не скомпенсированного

объемного заряда вследствие неравенства в каждой точке базы концентраций свободных электронов и атомов донорной примеси. Объемный заряд приводит к возникновению внутреннего электрического по­ля и, как следствие этого, к появлению дрейфовой составляющей тока электронов, равной .

Последняя направлена навстречу диффузионной. Результирующий ток в ус­ловиях термодинамического равновесия оказывается равным нулю:

.

Учитывая, что и, используя соотношение Эйнштейна

, получим

.

Это выражение показывает, что поле направлено в сторону уменьшения концентрации примеси (рис. 2.19).

Электрическое поле в базе воздействует на инжектированные эмиттером дырки. Так, поле на рис. 2.19, а ускоряет поток инжектированных в базу дырок, а поле на рис. 2.19,б тормозит этот поток. В первом случае по­ле называют ускоряющим, а во втором - тормозящим. При этом меняется характер распределения дырок в базе и скорость установления состоя­ния равновесия.

Вид переходных процессов в диоде определяется величиной поля и, главным образом, его направлением.

Если поле в базе тормозящее, то оно противодействует диффузионному распространению инжектированных дырок, т.е. как бы прижимает их к p-n переходу. Граничная концентрация дырок повышается по сравнению со случаем отсутствия поля: , где

(поле E предполагается постоянным). В удаленных областях базы концентрация дырок уменьшается. Степень прижатия дырок к переходу определя­ется величиной напряженности поля .

Увеличение граничной концентрации дырок приводит к увеличению длительности первой, фазы , так как возрастает время, необходимое для вытягивания дырок током первой фазы до такого состояния, когда их концентрация у p-n перехода становится равной .

Кроме того, длительность первой фазы увеличивается за счет дрейфа дырок из глубины базы к переходу под действием поля. Поэтому к началу второй фазы из базы диода будет выведена значительно большая доля избыточных дырок, и длительность последней будет меньше, чем у диода без тормозящего поля.

Ускоряющее поле способствует диффузионному распространению дырок в глубь базы, и граничная концентрация дырок уменьшается:

. Это приводит к уменьшению длительности фазы высокой обратной проводимости. Длительность фазы восстановления обратного сопротивления остается приблизительно такой же, как у диода без поля в базе, из-за оттягивания дырок от p-n перехода электричес­ким полем с последующей их рекомбинацией в глубине базы.

На рис. 2.20. иллюстрируется влияние поля на характер распределения дырок в базе и на изменение обратного тока диода при переключении его с прямого напряжения на обратное.