Импульсный диод схема. Основные параметры импульсных диодов. Что будем делать с полученным материалом

Полупроводниковые материалы. Структура, связь атомов в кристаллической решеткою. Образование носителей заряда в собственных и примесных полупроводниках.

Полупроводниками являются, как правило, твердые тела срегулярной кристаллической структурой (монокристаллы). Их кристаллическая решетка состоит из множества повторяющихся и примыкающих друг к другу элементарных ячеек.

Разновидности кубической решетки:

Простая кубическая решетка

Кубическая объемо-центрированная решетка

-кубическая гранецентрированная решетка

-решетка типа алмаз

Контактные явления. Классификация. Электронно-дырочный переход. Образование, принцип работы р-п перехода в равновесном и неравновесном состояниях. Вольт-амперные характеристики. Эффект электрического поля.

Переходы между двумя областями полупроводника с различным типом электропроводности называют электронно-дырочными или р- n-переходами . .

Анализ равновесного р-n- перехода

Высота равновес­ного потенциального барьера определяется разностью электроста­тических потенциалов в р- и n- Dj o = j Ep – j En .

Dj o = j Т ln (n n о р р o / n i 2)

равновесная высота потенциального барьера определяется отноше­нием концентраций однотипных носителей (электронов или дырок) по обе стороны перехода, на его границах:

Dj o = j Т ln (n n о / n р o );Dj o = j Т ln (p p о / p no)ширина потенциального барьера в несимметричном переходе:

l o = Ö(2e o eDj o) / (qN ) ,

ширина равно­весного плавного перехода в следующем виде:l o = 3 Ö(9e o eDj o) / (qN"), где N" - градиент эффективной концен­трации. Поскольку градиент одинаков в обеих частях перехода, то и ширина l o делится поровну между n- и р -слоями, т. е. плавный переход симметричен.

Анализ неравновесного р-n- перехода

Если подключить источник ЭДС U между р- и n- слоями, то равновесие пе­рехода нарушится и в цепи потечет ток. Удельное сопротивление обедненного слоя намного выше, чем удельные сопротивления ней­тральных слоев, поэтому внешнее напряжение практически полностью падает на пере­ходе, а значит, изменение высоты потенциального барь­ера равно значению при­ложенной ЭДС.

Когда ЭДС U приложена плюсом к р- слою, высота барьера уменьшается

Dj = Dj о – U .

Напряжение такой полярности является прямым. При отри­цательном потенциале на p- слое высота барьера увеличивается и знак минус следует изменить на плюс.

ширину неравновесного барьера в виде

l = Ö(2e o e(Dj o – U )) / (qN ).

Полупроводниковые диоды. Классификация. Выпрямительный полупроводниковый диод, стабилитрон, светодиод, фотодиод, диод Шоттки. Принципы работы, характеристики, параметры, области применения диодов.

Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним электрическим р-n- переходом и двумя выводами. Полупроводниковые диоды используют свойство односторонней проводимости p-n перехода - контакта между полупроводниками с разным типом примесной проводимости, либо между полупроводником и металлом. В зависимости от технологических процессов, использованных при их изготовлении, различают точечные диоды , сплавные и микросплавные , с диффузионной базой , эпитаксиальные и др. По функциональному назначению диоды делят на выпрямительные , универсальные, импульсные, переключающие, умножительные, стабилитроны (опорные), туннельные, параметрические, фотодиоды, светодиоды, магнитодиоды, и т. д.

Большинство полупроводниковых диодов выполняют на основе несимметричных р-n- переходов. Низкоомную область диодов называют эмиттером , а высокоомную – базой . Для создания переходов с вентильными свойствами используют р-n- , р-i , n-i- переходы, а также переходы металл – полупроводник.

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный.

Импульсные диоды имеют малую длительность переходных процессов и предназначены для работы в импульсных цепях. От выпрямительных диодов они отличаются малыми емкостями р-n-перехода (доли пикофарад) и рядом параметров, определяющих переходные характеристики диода.

Диод Шоттки - полупроводниковый диод с малым падением напряжения при прямом включении.

Светодиод - полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока. Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра. Его спектральные характеристики зависят во многом от химического состава использованных в нём полупроводников.

Фотодиод - приёмник оптического излучения , который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд за счёт процессов в p-n-переходе.

Принцип работы:

При воздействии квантов излучения в базе происходит генерация свободных носителей, которые устремляются к границе p-n-перехода. Ширина базы (n-область) делается такой, чтобы дырки не успевали рекомбинировать до перехода в p-область. Ток фотодиода определяется током неосновных носителей - дрейфовым током. Быстродействие фотодиода определяется скоростью разделения носителей полем p-n-перехода и ёмкостью p-n-перехода C p-n

Фотодиод может работать в двух режимах:

· фотогальванический - без внешнего напряжения

· фотодиодный - с внешним обратным напряжением

Стабилитрон – полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации напряжения.

Варикап – нелинейный управляемый конденсатор. В полупроводниковых диодах зависимость барьерной емкости от напряжения нелинейна, поэтому любой полупроводниковый прибор с р-n- переходом, в принципе, может быть использован как конденсатор с емкостью, управляемой напряжением.

В туннельных диодах носители заряда проходят сквозь потенциальный барьер за счет туннельного эффекта.

Импульсные свойства диодов. Пояснить на характеристиках и объяснить, какими физическими явлениями эти свойства обусловлены.

Импульсные диоды имеют малую длительность переходных процессов и предназначены для работы в импульсных цепях. От выпрямительных диодов они отличаются малыми емкостями р-n- перехода и рядом параметров, определяющих переходные характеристики диода. Уменьшение емкостей достигается за счет уменьшения площади р-n- перехода, поэтому допустимые мощности рассеяния у них невелики (30–40 мВт).

Основные параметры импульсных диодов:

● общая емкость диода С д, (доли пФ – несколько пФ);

● максимальное импульсное прямое напряжение U пр и мах;

● максимально допустимый импульсный ток I пр и мах;

● время установки прямого напряжения диода t уст

● время восстановления обратного сопротивления диода t вос

Наличие времени восстановления обусловлено зарядом, накопленным в базе диода при инжекции. Для запирания диода этот заряд должен быть «ликвидирован». Это происходит за счет рекомбинаций и обратного перехода не основных носителей заряда в эмиттер.

В быстродействующих импульсных цепях широко используют диоды Шоттки (ДШ), в которых переход выполнен на основе контакта металл – полупроводник. Структура ДШ показана на рис. 3.2 е . У этих диодов не затрачивается время на накопление и рассасывание зарядов в базе. В ДШ токопрохождение осуществляется основными носителями заряда и не приводит к появлению процессов инжекции не основных носителей с последующим рассасыванием их при переключении напряжения с прямого на обратное.

Кроме того, их быстродействие зависит только от скорости процесса перезарядки барьерной емкости. Вольтамперная характеристика ДШ напоминает характеристику диодов на основе р-n- переходов. Отличие состоит в том, что прямая ветвь в пределах 8–10 декад (декада – изменение значения в 10 раз) приложенного напряжения представляет почти идеальную экспоненциальную кривую, а обратные токи малы (доли – десятки нА).

отличительными особенностями ДШ являются: высокое быстродействие, малое падение напряжения при прямом смещении (0,3–0,4 В), высокий КПД выпрямления и широкие возможности использования в качестве дополнительных элементов в конструкциях различных транзисторов и других полупроводниковых приборов с целью расширения функциональных возможностей. Диоды Шоттки применяют также в выпрямителях больших токов и в логарифмирующих устройствах.

Биполярные транзисторы. Структура, принцип действия, режимы работы транзистора, схемы включения транзистора. Интегральный многоэмиттерный биполярный транзистор. Структура, принцип действия, применение. Биполярные транзисторы в ключевых и аналоговых схемах.

БТ называют полупроводниковые приборы с двумя или несколькими взаимодействующими электрическими p-n переходами и тремя или более выводами. Их усилительные свойства обусловлены явлениями инжекции и экстракции не основных носителей заряда: инжекция из Э в Б, экстракция из Б в К.

Рисунок стр. 133

Принцип работы биполярного транзистора основан на изменении сопротивления обратно смещенного p-n перехода за счет инжекции носителей заряда.

Режимы работы

Независимо от схемы включения транзисторы могут работать в одном из четырёх, отличающихся полярностью напряжения на ЭБ и БК переходе:

1)Нормальный активный режим - Э-переход включен в прямом направлении, К-переход в обратном направлении

2)Режим насыщения – Э- и К-переходы включены в прямом направлении

3)Режим отсечки - Э- и К-переходы включены в обратном направлении

4)Инверсный активный режим - Э-переход включен в обратном направлении, К-переход включен в прямом направлении.

Основным параметром биполярного транзистора является коэффициент передачи эмиттерного тока:

Близок к 1. Определяется 2-мя параметрами , где коэффициент инжекции, В-коэффициент переноса.

Каждый технически грамотный человек должен знать электронику. Подавляющее большинство устройств современной электроники изготавливаются из полупроводниковых материалов. По этому в рамках этой статьи, я бы хотел рассказать о диодах. Конечно, не зная основных свойств полупроводников, нельзя понять, как работает транзистор. Но одного знакомства только со свойствами полупроводников не достаточно. Необходимо разобраться в очень интересных и не всегда простых явлениях.

Краткая справка

Электро-дырочный переход (p-n переход) - это переходный слой между двумя областями полупроводника с разной электропроводностью, в котором существует диффузионное электрическое поле.
Диоды - это полупроводниковые приборы, основой которых является p-n переход. В основе применения полупроводниковых диодов лежит ряд их свойств, таких как асимметрия вольт-амперной характеристики, пробой электро-дырочного перехода, зависимость барьерной емкости от напряжения и т.д.

Используемое свойство перехода

• Выпрямительный - асимметрия вольт-амперной характеристики
• Стабилитрон - пробой
• Варикап - барьерная ёмкость
• Импульсный - переходные процессы

Познакомимся с ними подробнее.

Выпрямительные диоды

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного сигнала в постоянный.
Рассмотрим принцип действия простейшего однополупериодного выпрямителя на полупроводниковом диоде.

Описание работы

При поступлении от первичного источника переменного напряжения, диод будет открыт на положительной полуволне и закрыт на отрицательной. В результате на полуволне через диод и сопротивление нагрузки будет протекать ток. конденсатор при этом заряжается до значения, близкого к пиковому. При уменьшении напряжения во входной цепи диод запирается. При этом конденсатор начинает разряжаться через сопротивление нагрузки.
Недостатком является то, что выпрямительное напряжение сильно зависит от сопротивления нагрузки и имеет большую амплитуду пульсаций. Поэтому такие выпрямители применяются только при высокомерных нагрузках. Для формирования Импульсов применяются амплитудные ограничители, которые могут быть последовательными и параллельными. В последовательных диодных ограничителях диод включается последовательно с сопротивлением нагрузки.

Варикапы

Варикап - полупроводниковый диод, используемый в качестве электрически управляемой емкости.
Эти параметрические диоды работают в обратном направлении, от которого зависит барьерная емкость. Таким образом, варикапы представляют собой конденсаторы переменной емкости, управляемой не механически, а электрически, при изменении обратного напряжения.
Варикапы применяются главным образом для настройки колебательных контуров. Простейшая схема включения варикапа в колебательный контур на рисунке.

Описание работы

Настройка колебательного контура на резонансную частоту может осуществляться двумя способами. Во-первых, посредством варьирования частоты проводимого к контуру переменного входного напряжения Uвх. Во-вторых, за счет изменения частоты собственных колебаний Wо, которая обусловлена индуктивностью и емкостью колебательного контура. Изменяя величину обратного напряжения Uобр., можно регулировать емкость варикапа, а следовательно и менять резонансную частоту контура. Конденсатор Cp является разделительным. Он необходим для предотвращения шунтирования варикапа индуктивностью.

Стабилитроны

Стабилитрон - это полупроводниковый диод, используемый для стабилизации напряжения.
Участок соответствующий электрическому пробою Uпроб. на котором напряжение слабо зависит от тока, является рабочим. При использовании стабилитрона для стабилизации постоянного напряжения, его включают параллельно нагрузке. Наиболее часто стабилитрон работает в таком режиме, когда напряжение источника нестабильно, а сопротивление нагрузки Rн постоянно. Для установления и поддержания правильного режима стабилизации в этом случае сопротивление Rогр. должно иметь определенное значение. Для исключения температурного дрейфа напряжение используют последовательно соединенный диод. Подобные диоды называются термокомпенсированными стабилитронами.

Импульсные диоды

Импульсные диоды имеют малую длительность переходных процессов и предназначены для работы в качестве коммутирующих элементов. Существуют различные типы импульсных диодов: сплавные, точечные меза-диоды, диоды Шоттки.
Импульсные диоды широко используют в качестве коммутирующих элементов, т.е. устройств, имеющих два устойчивых состояния: «открыто», когда сопротивления прибора мало и «закрыто», когда велико.
При использовании диода в качестве ключа, могут комбинироваться различные диодные и диодно-транзисторные схемы, предназначенные для работы в цифровой аппаратуре.

В заключении

Прошу прощения за рисунки, элементы схем не по госту(их соотношение), но думаю для наглядного примера сойдет.
PS: стоит ли рассказать о транзисторах?

Импульсный диод – это диод с малой длительностью переходных процессов, предназначенный для применения в импульсных режимах работы. Они применяются в качестве коммутирующих элементов (например, в ЭВМ), для детектирования высокочастотных сигналов и для других целей.

При быстрых изменениях напряжения на диоде в - переходе возникают переходные процессы, обусловленные двумя основными процессами. Первое – это накопление неосновных носителей в базе диода при его прямом включении, т.е. заряд диффузионной емкости. А при смене напряжения на обратное (или при его уменьшении) - рассасывание этого заряда. Второе явление – это перезарядка барьерной емкости, которая тоже происходит не мгновенно, а характеризуется постоянной времени , где - дифференциальное сопротивление диода (сопротивление по переменному току), а - барьерная емкость - перехода.

Первое явление играет основную роль при больших плотностях прямого тока через диод, заряд барьерной емкости в этом случае играет второстепенную роль. При малых плотностях тока переходные процессы в диоде определяются вторым явлением, а второстепенную роль играет уже накопление неосновных носителей заряда в базе.

Рассмотрим процесс переключения диода из состояния высокой проводимости (диод открыт) в состояние низкой проводимости (диод закрыт) (рисунок 1.11)При приложении прямого напряжения возникает значительный прямой ток, что приводит к накоплению неосновных носителей заряда в области базы (это высокоомная n - область).

При переключении диода с прямого направления на обратное в начальный момент через диод идет большой обратный ток, ограниченный, в основном, объемным сопротивлением базы. Со временем накопленные в базе неосновные носители рекомбинируют или уходят через - переход, и обратный ток уменьшается до своего стационарного значения. Весь этот процесс занимает время восстановления обратного сопротивления – интервал времени от момента прохождения тока через нуль после переключения диода до момента достижения обратным током заданного низкого значения. Это один из основных параметров импульсных диодов, и по его значению они делятся на шесть групп: >500 нс; =150…500 нс;=30…150 нс, =5…30 нс; =1…5 нс и <1 нс.

Рисунок 1.11 - Процесс переключения диода из открытого состояния в закрытое

При пропускании импульса тока в прямом направлении наблюдается выброс напряжения в первый момент после включения (рисунок 1.12), что связано с повышением напряжением до тех пор, пока не закончится накопление неосновных носителей в базе диода. После этого сопротивление базы понижается и напряжение уменьшается.

Рисунок 1.12 -. Процесс переключения диода из закрытого состояния в открытое

Этот процесс характеризуется вторым параметром импульсного диода – временем установления прямого напряжения , равным интервалу времени от начала импульса тока до достижения заданного значения прямого напряжения.

Значения этих параметров зависят от структуры диода и от времени жизни неосновных носителей заряда в базе диода. Для уменьшения времени жизни неосновных носителей в базу вводится небольшое количество примеси золота. Атомы золота служат дополнительными центрами рекомбинации, в результате их введения уменьшается время жизни носителей заряда, а следовательно, и диффузионная емкость - перехода. Уменьшение барьерной емкости достигается технологическим и конструктивным методами. Импульсные диоды изготавливаются на основе планарной технологии, эпитаксиального наращивания, ионно-лучевой технологии. Основным полупроводниковым материалом при этом служит кремний.

В быстродействующих импульсных цепях широко используют диоды Шоттки (рисунок 1.13) в которых переход выполнен на основе контакта металл-полупроводник. Условное обозначение показано на рис.16.

Рисунок 1.13- Условное обозначение диода Шоттки

У этих диодов не затрачивается время на накопление и рассасывание зарядов в базе, их быстродействие зависит только от скорости процесса перезарядки барьерной емкости. Вольт-амперная характеристика диодов Шоттки напоминает характеристику диодов на основе - переходов. Отличие состоит в том, что прямая ветвь в пределах 8 - 10 декад приложенного напряжения представляет почти идеальную экспоненциальную кривую, а обратные токи - малы (доли-десятки наноампер).

Конструктивно диоды Шоттки выполняют в виде пластины низкоомного кремния, на которую нанесена высокоомная эпитаксиальная пленка с электропроводностью того же типа. На поверхность пленки вакуумным напылением нанесен слой металла.

Диоды Шоттки применяют также в выпрямителях больших токов и в логарифмирующих устройствах.

Импульсный диод – это полупроводниковый диод, имеющий малую длительность переходных процессов и предназначенный для применения в импульсных режимах работы.

Импульсные режимы – это такие режимы, когда диоды переключаются с прямого напряжения на обратное, через короткие промежутки времени порядка долей микросекунды при этом важную роль играют здесь переходные процессы. Основное назначение импульсных диодов – работа в качестве коммутирующих элементов. Условия работы импульсных диодов обычно соответствуют высокому уровню инжекции, т.е. относительно большим прямым токам. Вследствие этого свойства и параметры импульсных диодов определяются переходными процессами.

Одной из первых была разработана конструкция точечного импульсного диода (рис. 2.11). Точечный диод состоит из кристалла германия, припаянного к кристаллодержателю, контактного электрода в виде тонкой проволоки и стеклянного баллона. Особенностью точечных диодов является большое сопротивление базы, что приводит к увеличению прямого напряжения на диоде.

В связи с недостатками точечных диодов они практически полностью вытеснены импульсными диодами, производство которых основано на современных производительных и контролируемых методах формирования p–n -переходов (планарной технологии, эпитаксиального наращивания). Основным исходным полупроводниковым материалом при этом служит кремний, а иногда арсенид галлия.

Для ускорения переходных процессов в кремниевых импульсных диодах и для уменьшения значения времени восстановления обратного сопротивления этих диодов в исходный кремний вводят примесь золота. Эта примесь обеспечивает появление в запрещенной зоне кремния энергетических уровней рекомбинационных ловушек и уменьшение времени жизни неосновных носителей.

В настоящее время большинство конструкций имеет металлокерамический, металлостеклянный или металлический корпус с ленточными выводами.

Рассмотрим процесс переключения такого диода при воздействии на него прямоугольного импульса (рис. 2.12).

При прямом напряжении на участке 0…t 1 происходит инжекция носителей из эмиттерной области в базовую и их накопление там. При смене полярности напряжения на обратную в первый момент величина обратного тока будет значительна, а обратное сопротивление диода резко уменьшится, так как накопленные в базе неосновные носители под действием изменившегося направления напряженности электрического поля начнут двигаться в сторону p–n -перехода, образуя импульс обратного тока. По мере перехода их в эмиттерную область, их количество уменьшится и через некоторое время обратный ток достигнет нормального установившегося значения, а сопротивление диода в обратном направлении восстановится до нормальной величины.

Процесс уменьшения накопленного заряда в базе называется рассасыванием, а время, в течение которого обратный ток изменяется от максимального значения до установившегося, называется нем восстановления обратного сопротивления . Время восстановления обратного сопротивления – один из важнейших параметров импульсных диодов. Чем оно меньше, тем диод лучше. Для улучшения свойств импульсных диодов исходный полупроводник выбирают с малым временем жизни носителей заряда (для более интенсивного процесса рекомбинации в базе), а сам p–n -переход делают с малой площадью, чтобы снизить величину барьерной ёмкости перехода .

Выводы:

1. Импульсные диоды работают в режиме электронного ключа.

2. Длительность импульсов может быть очень мала, поэтому диод должен очень быстро переходить из одного состояния в другое.

3. Основным параметром, характеризующим быстродействие импульсных диодов является время восстановления обратного сопротивления.

4. Для уменьшения используют специальные меры, ускоряющие процесс рассасывания неосновных носителей заряда в базе.

5. Требованиям, предъявляемым к импульсным диодам, хорошо удовлетворяют диоды на основе барьера Шоттки, которые имеют очень малую инерционность благодаря отсутствию инжекции и накопления неосновных носителей заряда в базе.

Огромное количество современных электронных устройств используют в своей работе электрические импульсы. Это могут быть слаботочные сигналы или токовые импульсы (что гораздо серьезнее в техническом отношении) в цепях блоков питания и прочих импульсных преобразователей, инверторов и т.д.

А действие импульсов в преобразователях - это всегда критичность к длительности форнтов и спадов, имеющих временные границы примерно того же порядка, что и переходные процессы в электронных компонентах, в частности - в тех же диодах. Поэтому, при использовании в импульсных схемах диодов, следует обязательно принимать во внимание переходные процессы в самих диодах - во время их включения и выключения (во время открывания и закрывания p-n-перехода).

В принципе, чтобы сократить время переключения диода из неповодящего состояния - в проводящее и обратно, в некоторых низковольтных схемах целесообразно прибегать .

Диоды данной технологии отличаются от обычных выпрямительных диодов наличием перехода металл-полупроводник, который хоть и обладает выраженным выпрямительным эффектом, но в то же самое время имеет сравнительно малую проходную емкость перехода, заряд в которой накапливается в настолько некритичных количествах и так быстро рассасывается, что схема с диодами Шоттки может работать на достаточно высокой частоте, когда время переключения имеет порядок единиц наносекунд.

Еще один плюс диодов Шоттки - падение напряженя на их переходе составляет всего около 0,3 вольт. Итак, главное достоинство диодов Шоттки - в них не затрачивается времени на накопление и рассасывание зарядов, быстродействие здесь зависит только от скорости перезаряда небольшой барьерной емкости.

Что касается , то изначальное предназначение данных компонентов вообще не предполагает работу в импульсных режимах. Импульсный режим для выпрямительного диода - это нетипичный, нештатный рижим, поэтому и особо высоких требований к быстродействию выпрямительных диодов разработчиками не предъявляется.

Выпрямительные диоды используются в основном для преобразования низкочастотного переменного тока в постоянный или пульсирующий, где вовсе не требуется малая проходная емкость p-n-перехода и быстродействие, чаще нужны просто большая проводимость и соответственно высокая стойкость к относительно длительному непрерываному току.

Выпрямительные диоды отличаюстя поэтому малым сопротивлением в открытом состоянии, большей площадью p-n-перехода, способностью пропускать большие токи. Но за счет значительной площади перехода емкость диода получаетсвя больше - порядка сотен пикофарад. Это очень много для импульного диода. Для сравнения, у диодов Шоттки проходная емкость имеет порядок десятков пикофарад.

Итак, импульсные диоды - это специально разрабатываемые диоды для работы именно в импульсных режимах в высокочастотных цепях. Их принципиальной отличительной особенностью от выпрямительных диодов является кратковременность переходных процессов в силу очень малой емкости p-n-перехода, которая может доходить до единиц пикофарад и быть еще меньше.

Уменьшение емкости p-n-перехода в импульсных диодах достигается путем уменьшения площади перехода. Как следствие, рассеиваемая на корпусе диода мощность не должна быть очень большой, средний ток через переход малой площади не должен превышать максимально допустимого значения, указываемого к документации на диод.

Часто в качестве быстродействующих диодов используют диоды Шоттки, однако они редко отличаются высоким обратным напряжением, поэтому импульсные диоды выделены как отдельный тип диодов.