Импульсные диоды. Импульсные диоды - доклад

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.

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.

Правила по оформлению Вопросов на ГОСы 2012 (ЕС-08):

1. Оформлять в формате.doc (Word2003); в крайнем случае - .docx (Word2007/2010).

2. Установить в файле на листе поля 0.7 см на каждую сторону, ориентация книжная.

3. Должны чётко выделяться абзацы, примерно 1см (Формат\Абзац\Первая строка: Отступ, 1см)

4. Текст упорядочить по ширине, картинки - по центру.

5. ВЕСЬ текст должен быть 14 шрифтом Times New Roman (без уплотнения или разрежения шрифта).

6. Междустрочный интервал – Одинарный, можно варьировать от 0.9 до 1.2 для заполнения страницы (Одинарный = Точно: 16пт).

7. Каждый вопрос желательно должен занимать 1 или 2 страницы текста (с картинками или без), но НЕ БОЛЕЕ 3 (трёх) страниц (если большие картинки).

8. КАЖДЫЙ вопрос должен начинаться с новой страницы, используйте Ctrl + Enter для перехода на новую страницу в Word.

9. Название вопроса с номером выделяется жирным с подчёркиванием, 14 шрифт.

10. В теле вопроса нужные слова (определения) можно выделять жирным, но НЕ курсивом и НЕ подчёркнутым и НЕ РеГиСтРоМ.

11. Вопрос желательно должен занимать оптимальное место на странице, т.е. заполнять страницу полностью. Для этого можно варьировать междустрочный интервал от 0.9 до 1.2 (исходя из установки Одинарный).

12. Обозначения (буквы, символы) на картинке желательно должны быть 14 размера (т.е. как текст в теле вопроса), но НЕ МЕНЬШЕ, чем в 2 раза меньше от 14 размера шрифта.

13. Каждая картинка (рисунок) должна быть подписана.

14. Цвет картинок не играет роли, если в тексте нет привязки к цвету.

15. Картинки должны быть чёткими, иметь читабельные обозначения.

16. Для всех картинок в меню «Обтекание текстом» выбрать «В тексте», в редких случаях (маленький или сильно вытянутый по вертикали рисунок) можно «Вокруг рамки» и придвинуть картинку к левому или правому полю листа.

17. В редких случаях допускается не подписывать название картинки (если маленькая, напр. УГО диода, etc.).

18. Картинка может содержать название рисунка (рис.2.12, последняя страница)

19. Не надо вставлять номера страниц на листы.

20. Тематика найденного материала должна абсолютно совпадать с названием вопроса, много воды лить не надо.

Все пункты правил имеют практическую пользу, неоднократно проверялись и являются обязательными; позволят продуктивно редактировать, а в последствии и скатывать собранный нами материал. (подробности? – в личку) by ZX

1.10 Импульсные диоды

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 соответствует 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.

Рис. 2.11. Конструкция импульсного диода:

1 – кристалл полупроводника; 2 – кристаллодержатель; 3 – припой; 4 – контактная пружина;5 – стеклянный корпус; 6 – коваровая трубка; 7 – внешние выводы

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 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.

Рис. 2.12. Переходные процессы в импульсном диоде

Процесс уменьшения накопленного заряда в базе называется рассасыванием, а время, в течение которого обратный ток изменяется от максимального значения до установившегося, называется временем 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 емкости перехода.

Выводы:

Импульсные диоды работают в режиме электронного ключа.

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

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

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

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.

Импульсные диоды предназначены для работы в быстродействующих импульсных схемах. Основными отличительными особенностями импульсных диодов, так же как и высокочастотных, является малая площадь р-n перехода и малое время жизни неравновесных носителей заряда. Основным параметром импульсных диодов является время восстановления обратного сопротивления t вос , определяемое как время, в течение которого диод переходит в запертое состояние при мгновенном изменении полярности напряжения на диоде с прямого на обратное. Для импульсных диодов указывают такие же параметры, характерные для выпрямительных диодов. Конструкция и технология изготовления импульсных диодов аналогичны конструкции и технологии изготовления обычных высокочастотных диодов. В быстродействующих импульсных схемах широко используют диоды Шоттки, площадь перехода которых обычно составляет 20-30 мкм в диаметре, а барьерная емкость не превышает 1 пФ. Особенностью диодов Шоттки является отсутствие инжекции неосновных носителей заряда в полупроводник, поэтому основным фактором, влияющим на длительность переходных процессов, является перезаряд только барьерной емкости. Диоды Шоттки могут работать на частотах до 15 ГГц, а время переключения у них составляет около 0,1 нс.

В импульсных схемах, формирующих импульсы с крутыми фронтами, применяют диоды с накоплением заряда (ДНЗ). В этих диодах примесь в базе распределена неравномерно: концентрация ее больше в глубине базы и меньше возле р-n перехода, вследствие чего возникает внутреннее электрическое поле. Это поле препятствует проникновению в глубь базы инжектированных при прямом напряжении дырок из р -области в базу, то есть обеспечивает их группирование около границы р-n перехода. Кроме того, это поле при обратном напряжении способствует освобождению базы от неосновных носителей, в результате чего уменьшается t вос в десятки раз и отрицательный выброс импульса тока получается практически прямоугольным.

В настоящее время широкое применение находит в качестве высокочастотных и импульсных диодов диоды с p-i-n –структурой. В этих диодах сильнолегированные р и п области разделены достаточно широкой областью с собственной проводимостью. Электрическое поле действует только в i - области и оно практически однородное. Барьерная емкость p-i-n диода за счет широкой i - области мала и слабо зависит от приложенного к диоду напряжения.

Особенность работы p-i-n- диода состоит в следующем. Во-первых, при прямом смещении происходит инжекция электронов из п -области и дырок из р -области в i - область, что приводит к резкому уменьшению прямого сопротивления диода. Во-вторых, носители тока в i- области перемещаются не только за счет диффузии, но и дрейфуют в поле, что увеличивает их скорость и уменьшает время переноса носителей тока. Оба эти фактора увеличивают значение максимальной частоты работы таких диодов. При обратном напряжении происходит интенсивная экстракция носителей из i - области, что приводит к дополнительному возрастанию обратного сопротивления. Таким образом, для p-i-n диодов характерно большое отношение обратного к прямому сопротивлению, что обуславливает их хорошие импульсные свойства в переключательном режиме работы. Кроме того, такие диоды могут коммутировать в импульсе достаточно высокие мощности до нескольких десятков кВт.

В качестве импульсных диодов находят применение мезадиоды . Их особенностью является технология изготовления. При изготовлении этих диодов методом избирательного травления формируют конические выступы – столики, называемых «мезами». Такая технология позволяет получать р-п переходы с очень малой площадью и малой емкостью перехода и тем самым малым временем переключения

Контактная пружина

Внешние выводы

Рис.1.4. Конструкции двух типов импульсных диодов

Условно-графическое обозначение импульсного диода такое же как и у выпрямительного, возможные конструкции импульсных диодов приведены на рисунке 1.4.

Контрольные вопросы

1. Дайте классификацию полупроводниковых диодов.

2. Как влияет температура на вольтамперную характеристику германиевых и кремниевых выпрямительных диодов?

3. Назовите основные параметры выпрямительных диодов.

4. Какие требования предъявляются к высокочастотным и импульсным диодам?

5. В чем особенность работы р-i-п диодов и диодов с накоплением заряда (ДНЗ)?

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Украины

Днепропетровский национальный университет имени Олеся Гончара

Факультет физики, электроники

и компьютерных систем

Кафедра радиоэлектроники

Контрольная работа по «Твердотельной электронике»

На тему: «Особенности диода»

Выполнил

студент группы КМ-11-1

Мироненков Р.Д.

Проверил

канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры радиоэлектроники.

Макаров В.А.

Днепропетровск 2013

Реферат

Ключевые слова: импульсный диод, высокочастотны диод, диод Ганна, воль-амперная характеристика диода.

Цель работы: исследование характеристик и принципов действия импульсных и высокочастотных диодов

Введение

1. Импульсный диод. Принцип действия

2. Высокочастотный диод. Принцип действия

2.1 Диод Ганна

3. Изготовление диодов

Заключение

Список литературы

Введение

Полупроводники стали настоящей золотой жилой техники, когда из них научились делать структуры, похожие на слоистый пирог.

Выращивая слой n-полупроводника на пластинке p-полупроводника, мы получим двухслойный полупроводник. Переходный слой между ними называется pn-переходом. Если к каждой половине припаять по соединительному проводу, то получится полупроводниковый диод, который действует на ток как вентиль: в одну сторону хорошо пропускает ток, а в другую сторону почти не пропускает.

Как возникает выпрямляющий запирающий слой? Образование слоя начинается с того, что в p-половине больше дырок, а в n-половине больше электронов. Разность плотности носителей зарядов начинается уравновешиваться через переход: дырки проникают в n-половину, электроны в p-половину.

С помощью внешнего источника тока можно повысить или понизить внешний потенциальный барьер. Если к диоду приложить прямое напряжение, т.е положительный полюс соединить с p-половиной, то внешняя электрическая сила начнёт действовать против двойного слоя, и диод пропускает ток, который быстро растёт с увеличением напряжения. Если же изменить полярность проводников, то напряжение падает почти до нулевой отметки. Если диод подключить в цепь переменного напряжения, то он будет служить как выпрямитель, т.е на выходе будет постоянное пульсирующее напряжение, по направлению в одну сторону (от плюса к минусу). Для того чтобы сгладить амплитуду, или как её ёщё называют "пиковое значение" пульсации тока, эффективно добавить параллельно диоду конденсатор Выпрямительные приборы довольно часто требуются в промышленности. Например выпрямители нужны для правильной работы бытовой техники (т.к почти все электроприборы потребляют постоянное напряжение. Это телевизоры, радиоприёмники, видеомагнитофоны и т.д). Также полупроводниковые диоды нужны для расшифровки видео, радио, фото и других сигналов в частотно-электрические сигналы. С помощью этого свойства полупроводников мы смотрим телевизор или слушаем радио.

Есть ещё и необычные полупроводниковые диоды- это светодиоды и фотодиоды. Фотодиоды пропускают ток только при попадании на их корпус света. А светодиоды при прохождении через них тока, начинают светиться. Цвет свечения светодиодов зависит от того, к какой разновидности он принадлежит.

Полупроводниковые диоды подразделяются на группы, в зависимости от их мощности, диапазона рабочих частот, напряжения и диапазона рабочих частот. Как у диодов, так и у транзисторов есть одно уникальное свойство. При изменении температуры, их внутреннее сопротивление изменяется и следовательно величина напряжения выпрямленного тока тоже изменяется в большую или меньшую сторону. Свето и фотодиоды применяются в качестве датчиков и индикаторов.

1. Импульсный диод. Принцип действия

Это обычные диоды, с обычной ВАХ, однако работающие в режиме переключения. Их область применения - цифровые схемы, элементы которых находятся либо в открытом состоянии «0», либо в закрытом «1». Поэтому в этом приложении представляют интерес временные параметры диода: как быстро он переходит из закрытого в открытое состояние и наоборот. На рис.1 показан импульсный диод на основе несимметричного контакта. Примем условие, что эмиттер имеет n - проводимость. Это дает основание рассматривать поведение и ток только электронов. При обратной не симметрии вся сказанное будет относиться к дыркам.

Рис.1. Импульсный диод

Рассмотрим процессы при переключении. Подадим на него прямое напряжение - идеальную ступень (рис.2.а) Первоначально начнут движение электроны, обладающие наибольшей энергией, находящиеся непосредственно вблизи p-n перехода, далее к ним присоединятся те, которые находятся внутри n области. Таким образом, из-за различия энергий носителей постепенно увеличивается их число, постепенно увеличивается и прямой ток. Этот процесс во времени показан на рис.2.б, а для оценки вводится параметр t уст - время установления открытого состояния. При большом времени ток не меняется и в области «p» перехода скапливается большое количество неосновных носителей, электронов. Возникает неравновесная концентрация носителей в p области кристалла.

Подадим на переход столь же резко изменяющуюся обратную полярность напряжения. Неравновесные электроны, накопившиеся в «p» области, начнут выводиться под действием электрического поля в «n» область. Концентрация их велика, поэтому обратный ток в течении какого - то времени будет большим. Эта стадия процесса показана на рис.2.б, как t 1 . в конце концов, процесс вывода закончится, переход становится в закрытое состояние. Теперь есть две полупроводящие области p и n b и слой диэлектрика между ними. Это конденсатор, который начинает заряжаться под действием обратного напряжения. Ток заряда будет уменьшаться по закону экспоненты, на рис.2.б это время t 2 . В целом время восстановления закрытого состояния равно t 1 +t 2 =t восст.

Рис.2. Процессы в импульсном диоде

Обычно t восст >> t восст. Для улучшения параметров диода для изготовления используются материалы с высокой подвижностью носителей (Ge), площадь перехода делают маленькой, применяют p-i-n структуры. Пример применения импульсного диода приведен на рис. Форма напряжения на нагрузочном сопротивлении повторяет форму тока на рис.3.

Рис.3.Работа импульсного диода

2. Высокочастотные диоды. Принцип действия

В технике сверхвысоких частот (для работы в сантиметровом и миллиметровом диапазонах волн) применяются особые германиевые и кремневые сверхвысокочастотные диоды (СВЧ диоды). По-своему назначению СВЧ диоды делятся на видео детекторные, предназначены для детектирования СВЧ колебаний, переключательные, предназначенные для применения в устройствах управления уровнем СВЧ мощности, параметрические, предназначенные для применения в параметрических усилителях СВЧ колебаний, и преобразовательные. В свою очередь, преобразовательные диоды, в которых используется нелинейность вольтамперной характеристики перехода, делят на:

· смесительные, используемые для преобразования СВЧ сигнала и сигнала гетеродина в сигнал промежуточной частоты;

· умножительные, используемые для умножения частоты СВЧ сигнала;

· модуляторные, используемые для модулирования амплитуды СВЧ сигнала.

В СВЧ диодах обычно используется точечный контакт. Переход в таких диодах не формуется. Выпрямляющий контакт осуществляется простым прижимом к полированной поверхности полупроводника острия металлического контактной пружины. Эти диоды изготовляются из очень низкоомного материала (время жизни носителей заряда мало) и имеют весьма малый радиус точечного контакта (2-3 мкм), что обеспечивает хорошие высокочастотные свойства. Однако напряжение пробоя СВЧ диодов очень низкое (всего 3-5 В), а прямое напряжение относительно высокое.

Обратный ток у них хотя и мал, но начинает возрастать практически с нуля за счет туннельного эффекта носителей через переход (рис.4).

Рис. 4. ВАХ высокочастотного диода

Конструкция СВЧ диодов обычно приспособлена к сочленению с элементами коаксиального или волноводного тракта, с измерительными головками и другими деталями системы СВЧ. В длинноволновом участке СВЧ диапазона (3-10 см) основными типами корпуса являются металлокерамический или металлостеклянный патронного типа. В диапазоне волн 1-3 см габариты и емкость этих корпусов становятся недопустимо большими, и поэтому выпрямляющий контакт монтируется в корпусе коаксиального типа. В диапазоне миллиметровых волн используются волноводную конструкцию.

Помимо длинны волны, на которой СВЧ диоды имеют параметры, гарантированные нормами технического задания и максимально допустимых данных, СВЧ диоды также характеризуются электрическими параметрами, отражающими основное значение. Так, смесительные СВЧ диоды характеризуют потерями преобразования (отношение мощности СВЧ на входе к мощности промежуточной частоты на выходе диода), шумовым отношением (отношение мощности шумов на выходе диода в рабочем режиме к мощности тепловых шумов активного сопротивлению диода), нормированным коэффициентом шума, характеризующим обобщенную чувствительность приемного устройства, и дифференциальным выходным сопротивлением. В ряде случаев электрический параметр определяет не толь-ко свойства самого СВЧ диода, но и свойства конкретного СВЧ устройства, в котором установлен данный диод.

Следует иметь в виду, что мощность, при которой происходит "выгорание" диода, сопровождающееся необратимыми ухудшениями вольтамперной характеристики или пробоем, весьма мала. Поэтому необходимо исключить всякие непредусмотренные воздействия и принять нужные меры защиты как при работе, так и при хранении СВЧ диода (например, недопустим разряд через диод статического электричества, накопленного на теле оператора; хранение диода в металлическом патроне и др.).

В устройствах миллиметрового диапазона волн (особенно интегральных) для построения мощных СВЧ усилителей широко применяют лавинно-пролетные диоды, а для построения СВЧ генераторов диоды Ганна. В этих диодах используется явление ограничения подвижности электронов в электрических полях с напряженностью выше критической, и в их вольтамперных характеристиках имеется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Лавинно-пролетные диоды работают в режиме лавинного размножения носителей заряда при обратном смещении электрического перехода. В диодах Ганна (в структуре этих приборов нет выпрямляющего перехода) используется эффект возникновения электрических колебаний в пластине из арсенида галлия при приложении к ней постоянного напряжения, создающего электрическое поле с напряженностью более 105 В/м.

Выпускаемые промышленностью лавинно-пролетные диоды и генераторы Ганна рассчитаны на выходную СВЧ мощность в непрерывном режиме в несколько десятков милливатт. В импульсном режиме эта мощность может быть повышена на несколько порядков. Для увеличения выходной мощности нужны лавинно-пролетные диоды и генераторы Ганна с большей площадью электронно-дырочного перехода и большей площадью тонкой пленки полупроводника. При этом они должны быть однородны не только по толщине, но и по площади.

Рабочие частоты современных кремниевых СВЧ диодов приближаются уже к теоретическому пределу. Поэтому, чтобы еще улучшить частотные свойства, нужно использовать другой материал, а также разрабатывать полупроводниковые приборы с другим принципом действия.

2.1 Диод Ганна

Диод Ганна (изобретён Джоном Ганном в 1963 году) -- тип полупроводниковых диодов, использующийся для генерации и преобразования колебаний в диапазоне СВЧ на частотах от 0,1 до 100 ГГц. В отличие от других типов диодов, принцип действия диода Ганна основан не на свойствах p-n-переходов, т.е. все его свойства определяются не эффектами, которые возникают в местах соединения двух различных полупроводников, а собственными свойствами применяемого полупроводникового материала.

В отечественной литературе диоды Ганна называли приборами с объемной неустойчивостью или с междолинным переносом электронов, так как активные свойства диодов обусловлены переходом электронов из "центральной" энергетической долины в "боковую", где они уже могут характеризоваться малой подвижностью и большой эффективной массой. В иностранной же литературе диоду Ганна соответствует термин ТЭД (Transferred Electron Device). диод ганн высокочастотный импульсный

На основе эффекта Ганна созданы генераторные и усилительные диоды, применяемые в качестве генераторов накачки в параметрических усилителях, гетеродинов в супергетеродинных приемниках, генераторов в маломощных передатчиках и в измерительной технике.

При создании низкоомных омических контактов, необходимых для работы диодов Ганна, существуют два подхода:

· Первый из них заключается в поисках приемлемой технологии нанесения таких контактов непосредственно на высокоомный арсенид галлия.

· Второй подход заключается в изготовлении многослойной конструкции генератора. В диодах такой структуры на слой сравнительно высокоомного арсенида галлия, служащего рабочей частью генератора, наращивают с двух сторон эпитаксиальные слои относительно низкоомного арсенида галлия с электропроводностью n-типа. Эти высоколегированные слои служат переходными прослойками от рабочей части прибора к металлическим электродам.

Диод Ганна традиционно состоит из слоя арсенида галлия с омическими контактами с обеих сторон. Активная часть диода Ганна обычно имеет длину порядка l = 1-100 мкм и концентрацию легирующих донорных примесей n = 1014 ? 1016 см?3. В этом материале в зоне проводимости имеются два минимума энергии, которым соответствуют два состояния электронов -- «тяжёлые» и «лёгкие». В связи с этим с ростом напряжённости электрического поля средняя дрейфовая скорость электронов увеличивается до достижения полем некоторого критического значения, а затем уменьшается, стремясь к скорости насыщения.

Таким образом, если к диоду приложено напряжение, превышающее произведение критической напряжённости поля на толщину слоя арсенида галлия в диоде, равномерное распределение напряжённости по толщине слоя становится неустойчиво. Тогда при возникновении даже в тонкой области небольшого увеличения напряжённости поля электроны, расположенные ближе к аноду, «отступят» от этой области к нему, а электроны, расположенные у катода, будут пытаться «догнать» получившийся движущийся к аноду двойной слой зарядов. При движении напряжённость поля в этом слое будет непрерывно возрастать, а вне его -- снижаться, пока не достигнет равновесного значения. Такой движущийся двойной слой зарядов с высокой напряжённостью электрического поля внутри получил название домена сильного поля, а напряжение, при котором он возникает -- порогового.

В момент зарождения домена ток в диоде максимален. По мере формирования домена он уменьшается и достигает своего минимума по окончании формирования. Достигая анода, домен разрушается, и ток снова возрастает. Но едва он достигнет максимума, у катода формируется новый домен. Частота, с которой этот процесс повторяется, обратно пропорциональна толщине слоя полупроводника и называется пролетной частотой.

На ВАХ полупроводникового прибора наличие падающего участка является не достаточным условием для возникновения в нём СВЧ колебаний, но необходимым. Наличие колебаний означает, что в пространстве кристалла полупроводника возникает неустойчивость волновых возмущений. Но такая неустойчивость зависит от параметров полупроводника (профиля легирования, размеров, концентрации носителей и т.д.).

Рис.5. ВАХ диода Ганна

При помещении диода Ганна в резонатор возможны другие режимы генерации, при которых частота колебаний может быть сделана как ниже, так и выше пролетной частоты. Эффективность такого генератора относительно высока, но максимальная мощность не превышает 200--300мВт.

Диод Ганна может быть использован для создания генератора в 10 ГГц и выше (ТГц) диапазона частот. А резонатор, который может принимать форму волновода, добавляют для контроля частоты. Частота генераторов на диоде Ганна определяется в основном резонансной частотой колебательной системы с учетом емкостной проводимости диода и может перестраиваться в широких пределах механическими и электрическими методами. Однако срок службы генераторов Ганна относительно мал,что связано с одновременным воздействием на кристалл полупроводника таких факторов, как сильное электрическое поле и перегрев кристалла из-за выделяющейся в нем мощности.

Диоды Ганна, работающие в различных режимах, используются в диапазоне частот 1-100 ГГц. В непрерывном режиме реальные генераторы на диодах Ганна имеют КПД порядка 2-4% и могут обеспечить выходную мощность от единиц мВт до единиц Вт. Но при переходе в импульсный режим КПД увеличивается в 2-3 раза. Специальные резонансные системы, позволяющие добавить к мощности полезного выходного сигнала некоторые высшие гармоники, служат для увеличения КПД и такой режим называется релаксационным.

Существуют несколько разных режимов, в одном из которых генератор на диоде Ганна может совершать работу, в зависимости от питающего напряжения, температуры, свойства нагрузки: доменный режим, гибридный режим, режим ограниченного накопления объемного заряда и режим отрицательной проводимости.

Наиболее часто используемым режимом является доменный режим, для которого в течение значительной части периода колебаний, характерен режим существования дипольного домена. Доменный режим может иметь три различных вида: пролетный, с задержкой образования доменов и с гашением доменов, которые получаются при изменении сопротивления нагрузки.

Для диодов Ганна был так же придуман и осуществлен режим ограничения и накопления объемного заряда. Его существование имеет место, при больших амплитудах напряжения на частотах, в несколько раз больше пролетной частоты и при постоянных напряжениях на диоде, которые в несколько раз превышают пороговое значение. Однако существуют требования для реализации к данному режиму: нужны диоды с очень однородным профилем легирования. Однородное распределение электрического поля и концентрации электронов по длине образца обеспечивается за счет большой скорости изменения напряжения на диоде.

Наряду с арсенидом галлия и фосфидом индия InP (до 170 ГГц) методом эпитаксиального наращивания, для изготовления диодов Ганна также используется нитрид галлия (GaN) на котором и была достигнута наиболее высокая частота колебаний в диодах Ганна -- 3 ТГц. Диод Ганна имеет низкий уровень амплитудных шумов и низкое рабочее напряжение питания (от единиц до десятков В).

Эксплуатация диодов происходит в резонансных камерах представляющие собой в виде микросхем на диэлектрических подложках с резонирующими емкостными и индуктивными элементами, либо в виде комбинации резонаторов с микросхемами.

3. Изготовление диодов

Технология изготовления диода может быть основана на любом из описанных выше методов получения р-гс-переходов на кремнии и германии. Однако прибор, обладающий наилучшими усилительными качествами, получается диффузионным способом, с помощью меза-технологии.

Технология изготовления диодов Ганна сравнительно несложна. Диоды изготавливают либо на основе монокристаллов, либо на основе эпитакси-альных пленок GaAs. Размеры пластин для изготовления диодов выбирают, исходя из условий режима их работы и требуемых параметров.

По параметрам и технологии изготовления диодов и тиристоров в тексте и таблицах приняты следующие сокращения: Si - кремний, Qe - германий, GaAs - арсепид галлия, СаР - фосфит галлия, Si(СO 3) 2 - карбид кремния.

Заключение

В этой работе мы рассмотрели принципы работы импульсного и высокочастотного диодов. Каждый из диодов имеет свои параметры, характеристики, и свое предназначение в электрической цепи. Диод -- электронный элемент, обладающий различной проводимостью в зависимости от направления электрического тока. Электрод диода, подключаемый к положительному полюсу источника тока, когда диод открыт (то есть имеет маленькое сопротивление), называют анодом , подключаемый к отрицательному полюсу -- катодом.

Импульсные диоды работают в режиме электронного ключа. Длительность импульсов может быть очень мала, поэтому диод должен очень быстро переходить из одного состояния в другое. Основным параметром, характеризующим быстродействие импульсных диодов является время восстановления обратного сопротивления. Для уменьшения используют специальные меры, ускоряющие процесс рассасывания неосновных носителей заряда в базе. 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.

Высокочастотный диод применяется для линейных или нелинейных преобразований высокочастотных сигналов до 600 МГц. (СВЧ диоды - до 12 ГГц.) Он используется в схемах детекторов -- это выпрямители высокочастотных сигналов.

· Барьерная ёмкость Сб [мкФ]

· f раб [МГц]

В современных импортных диодах используется такая характеристика, как "Время восстановления". В ультрабыстродействующих диодах она достигает величин 100 нс.

Список литературы

1. Алфёров Ж. И. // Физика и техника полупроводников. 1998. Т.32. №1. С.3-18.

2. Берг А., Дин П. Светодиоды / Пер. с англ. под ред. А.Э. Юновича. М., 1979.

3. Коган Л. М. Полупроводниковые светоизлучающие диоды. М., 1983.

4. Лосев О. В. У истоков полупроводниковой техники: Избранные труды. Л., 1972.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Понятие полупроводникового диода. Вольт-амперные характеристики диодов. Расчет схемы измерительного прибора. Параметры используемых диодов. Основные параметры, устройство и конструкция полупроводниковых диодов. Устройство сплавного и точечного диодов.

курсовая работа , добавлен 04.05.2011


Понятие диодов как электровакуумных (полупроводниковых) приборов. Устройство диода, его основные свойства. Критерии классификации диодов и их характеристика. Соблюдение правильной полярности при подключении диода в электрическую цепь. Маркировка диодов.

презентация , добавлен 05.10.2015


Напряжение тока и сопротивление диода. Исследование вольтамперной характеристики для полупроводникового диода. Анализ сопротивления диода. Измерение напряжения и вычисление тока через диод. Нагрузочная характеристика параметрического стабилизатора.

практическая работа , добавлен 31.10.2011


Исследование вольтамперных характеристик диодов, снятие характеристик при различных значениях напряжения. Аппроксимация графиков вольтамперных характеристик диодов, функции первой и второй степени, экспоненты. Исходный код программы и полученные данные.

лабораторная работа , добавлен 24.07.2012


Механизм действия полупроводникового диода - нелинейного электронного прибора с двумя выводами. Работа стабилитрона - полупроводникового диода, вольтамперная характеристика которого имеет область зависимости тока от напряжения на ее обратном участке.

презентация , добавлен 13.12.2011


Определение величины обратного тока диодной структуры. Расчет вольт-амперной характеристики идеального и реального переходов. Зависимости дифференциального сопротивления, барьерной и диффузионной емкости, толщины обедненного слоя от напряжения диода.

курсовая работа , добавлен 28.02.2016


Расчет напряжения на переходе при прямом включении при заданном прямом токе. Влияние температуры на прямое напряжение. Сопротивление диода постоянному току. Вольт-амперная характеристика диода. Параметры стабилизатора напряжения на основе стабилитрона.

контрольная работа , добавлен 14.01.2014


Составление и обоснование электрической схемы измерения вольт-амперных характеристик полупроводниковых приборов. Определение перечня необходимых измерительных приборов и оборудования, сборка экспериментальной установки. Построение графиков зависимостей.

курсовая работа , добавлен 19.11.2015


Классификация диодов в зависимости от технологии изготовления: плоскостные, точечные, микросплавные, мезадиффузионные, эпитаксально-планарные. Виды диодов по функциональному назначению. Основные параметры, схемы включения и вольт-амперные характеристики.

курсовая работа , добавлен 22.01.2015


Параметры, свойства, характеристики полупроводниковых диодов, тиристоров и транзисторов, выпрямительных диодов. Операционный усилитель, импульсные устройства. Реализация полной системы логических функций с помощью универсальных логических микросхем.