4.7.2. Диоды с накоплением заряда

Диод с накоплением заряда (ДНЗ) – это диод, принцип действия которого основан на эффекте накопления неосновных носителей заряда в базовой области.

В этом диоде в качестве рабочего участка используется импульс обратного тока, который формируется в процессе рассасывания накопленных ранее избыточных носителей заряда, причем технологически обеспечиваются условия получения короткого прямоугольного импульса с большой амплитудой. За счет внутреннего встроенного электрического поля уменьшается также длительность спада обратного тока Δt = t₃ – t₂ (рис. 4.38), появление которого связано с рассасыванием ННЗ из внутренних областей базы. Поэтому этот прибор называют также диодом с резким восстановлением обратного сопротивления (т.е. с малым временем t_в).

Р абота диода состоит из двух этапов. В течение первого (t>t₁), подготовительного, этапа происходит накопление зарядов в базовой области за счет инжекции. Во время второго (t₁<t<t₃) - формируется короткий рабочий импульс. Встроенное электрическое поле, уменьшающее длительность обратного импульса, получают за счет неравномерного распределения примесей в базовой области. Вследствие местной диффузии электронов происходит перераспределение зарядов в приграничной области. Появляется двойной слой разноименных зарядов, состоящий из избыточных электронов с одной стороны и нескомпенсированных положительных ионов примеси с другой (рис. 4.39). Между ними возникает встроенное электрическое поле Е_в. Это поле препятствует диффузии дырок вглубь базы во время инжекции, поэтому избыточные заряды накапливаются в приграничной области p-n-перехода. При переключении диода с прямого смещения на обратное это поле ускоряет процесс рассасывания дырок, обеспечивая их движение в сторону перехода.

ДНЗ относятся к импульсным диодам, что и определяет их основные токовые параметры этого общего класса. Кроме того, эти диоды имеют такие специфические параметры:

1. Время выключения t_вык определяет длительность формируемого обратного импульса.

2. Заряд переключения Q_пк – это часть накопленного заряда, которая вытекает во внешнюю цепь при изменении направления тока с прямого на обратный.

3. Эффективное время жизни неосновных носителей заряда τ_эфф определяет длительность рекомбинации избыточных неосновных носителей заряда в базе диода. Формально это время соответствует отношению заряда, переносимого переходным обратным током, к значению прямого тока τ_эфф = Q/I_пр.

4. Максимально допустимый импульсный обратный ток I_{макс. имп} является предельным параметром, а также определяет амплитуду импульса обратного тока, формируемого диодом.

Например, время выключения диода 2Д528А составляет 50 пс, импульсный прямой ток – 200 мА, а 2Д524Б – 200 пс и 1 А соответственно.

Одно из основных назначений ДНЗ – это формирование коротких импульсов большой амплитуды с длительностью в несколько десятков пико- или наносекунд.

4.7.3. P-i-n-диоды

P-i-n-диод – это диод с трехслойной структурой, состоящей из высокоомного слоя собственного полупроводника, расположенного между двумя сильнолегированными областями р- и n-типов (рис. 4.40).

Работа диода основана на эффекте накопления избыточных зарядов в области собственного полупроводника.

О бласть полупроводника с собственной электропроводностью значительно увеличивает толщину р–n–перехода d, что позволяет получить малые емкости диода. Сопротивление обедненной области обычно велико (порядка нескольких десятков килоом), так как наличие внутреннего поля еще более обедняет i-слой, т.е. число собственных носителей заряда уменьшается. Такие диоды еще называют регулируемыми резистивными диодами, так как его сопротивление в значительной мере определяется концентрацией зарядов в i-области. Величина сопротивления может меняться в широких пределах в зависимости от протекающего через диод тока.

Количество зарядов, накопленных в i-области, определяется величиной тока инжекции и временем жизни неравновесных носителей, а проводимость прибора - плотностью зарядов в промежуточном слое.

Работа диода в режиме переключения основана на резком отличии концентрации свободных носителей заряда в i-области при прямом и обратном смещениях. Быстродействие процесса ограничено временем рассасывания носителей заряда из i-слоя при переключении с прямого напряжения на обратное. Предельные частоты переключения составляют 40 ГГц.

В корпусе прибора может содержаться либо одиночная структура (p-i-n) – 2А503А, либо пара с общим анодом (n-i-p-i-n) – 2А505А.

Основные параметры диодов:

1. Емкость диода С (0,2…1) пФ.

2. Время обратного восстановления τ_обр ( 60…2 мкс, для СВЧ-диодов уменьшается до 5…100 нс).

3. Прямое сопротивление потерь при заданном токе определяет активную составляющую полного сопротивления диода (единицы ом).

4. Максимально допустимая величина обратного напряжения предотвращает переход диода в режим пробоя (100…200) В.

5. Максимальная величина рассеиваемой мощности (от единиц до десятков ватт).

6. Максимальная величина прямого тока (100…500) мА.

Три последних параметра относятся к предельно допустимым, первые два определяют инерционные свойства, причем за время τ_обр происходит рассасывание зарядов из i-области, т.е. восстанавливается обратное сопротивление. Время прямого восстановления на один-два порядка меньше.