4.6. Высокочастотные и сверхвысокочастотные диоды

Сверхвысокочастотными называют полупроводниковые диоды, используемые для преобразования, детектирования, усиления, умножения, генерирования и управления уровнем мощности сигналов сантиметрового и миллиметрового диапазона волн.

На высоких частотах (свыше 30 МГц) реактивности начинают сильно сказываться, особенно барьерная емкость, которая при закрытом диоде обусловливает паразитное прохождение переменной составляющей сигнала. Радикальный путь уменьшения барьерной емкости состоит в уменьшении площади р-n-перехода. Первым конструктивным вариантом на этом пути являются точечные формовочные диоды (рис. 4.18).

Рис. 4.18. Точечный формовочный диод

Базой диода является монокристалл германия или кремния n-типа. С одной стороны, база имеет омический контакт с держателем, а с другой  к ней прижимается вольфрамовая игла с небольшим количеством примеси на конце. Для образования перехода применяют электроформовку  пропускание короткого импульса тока. Под действием импульса тока место контакта разогревается, и примесь диффундирует в базу, образуя область эмиттера микроскопических размеров. Точечные диоды могут пропускать выпрямленный ток до нескольких десятков миллиампер и иметь обратные напряжения до 150 В. Общая емкость таких диодов не превышает 1 пФ, что позволяет использовать их на частотах до 300 - 600 МГц.

Д

1

ля работы в диапазоне СВЧ применяются бесформовочные точечные диоды (рис. 4.19). В таких диодах используется переход металл  полупроводник (переход Шоттки) между вольфрамовым эмиттером и полупроводниковой базой диода. Острозаточенная игла-пружина создает переход с диаметром не менее 30 мкм, что обеспечивает уменьшение барьерной емкости до сотых долей пикофарады.

а

б

Рис. 4.19. Точечный бесформовочный диод: а – точечный

переход металл – полупроводник; б – конструкция

СВЧ-диода: 1 – верхний вывод; 2 – настроечный штифт;

3 – вольфрамовая игла – пружина; 4 – керамический

изолятор; 5 – кристаллодержатель с кристаллом – нижний вывод

Диапазон рабочих частот бесформовочных диодов достигает десятков гигагерц. Так как это СВЧ-диапазон, то конструкция корпуса выбирается 30 мкм, что обеспечивает уменьшение барьерной емкости до сотых долей пикофарады. Диапазон рабочих частот бесформовочных диодов достигает десятков гигагерц. Так как это СВЧ-диапазон, то конструкция корпуса выбирается с расчетом минимизации индуктивности выводов и обеспечения удобства сочленения с коаксиальными кабелями, волноводами и полосковыми линиями. Существенный недостаток таких диодов  чувствительность к механическим и электрическим нагрузкам. Даже кратковременно рассеиваемая мощность в таких диодах не должна превышать 100 мВт при обратных напряжениях 3 - 5 В. Для защиты от внешних излучений точечные диоды СВЧ хранятся и транспортируются в специальных металлических защитных колпачках.

4.7. Импульсные диоды

Импульсные диоды – полупроводниковые диоды, используемые в качестве ключевых элементов в схемах при воздействии импульсов малой длительности (микросекунды, доли микросекунд).

Одно из важнейших требований к ним – надежная работа в цепях с высокой частотой, например до 500 МГц. Импульсные диоды обладают высоким быстродействием, т.е. малым временем восстановления высокого обратного сопротивления при изменении полярности приложенного напряжения с прямой на обратную. Улучшение временных параметров достигается снижением емкости перехода и сокращением времени жизни носителей заряда. Этому требованию удовлетворяют диоды точечного типа. Могут быть использованы и диоды с р-п-переходом, изготовленным по диффузионной технологии. В цепях с напряжением до нескольких киловольт применяются выпрямительные столбы, состоящие из последовательно соединенных выпрямительных элементов, объединенных в одном корпусе.

Условия работы импульсных диодов обычно соответствуют высокому уровню инжекции, то есть относительно высоким токам. Поэтому свойства и параметры импульсных диодов определяются переходными процессами, рассмотренными в главе 2.

При переключении диода с прямого направления на обратное в начальный момент времени через диод идет большой обратный ток, ограниченный в основном объемным сопротивлением базы (при идеальном генераторе напряжения). С течением времени накопленные в базе неосновные носители заряда рекомбинируют или уходят из базы через р-п-переход, после чего обратный ток уменьшается до своего стационарного значения (рис. 4.20, а). Переходный процесс, в течение которого обратное сопротивление полупроводникового диода восстанавливается до постоянного значения после быстрого переключения с прямого направления на обратное, называют восстановлением обратного сопротивления диода.

Рис. 4.20. Осциллограммы токов и напряжений импульсного диода при его работе в схемах с генератором напряжения (а) и с генератором тока (б)

При пропускании импульса тока в прямом направлении через диод наблюдается выброс напряжения в первый момент после включения (рис. 4.20, б). Вызвано это повышенным падением напряжения до тех пор, пока не произойдет накопление неосновных носителей заряда в базе диода в результате инжекции и не уменьшится объемное сопротивление базы. Переходный процесс, в течение которого прямое сопротивление полупроводникового диода устанавливается до постоянного значения после быстрого включения диода в прямом направлении, называют установлением прямого сопротивления диода.

Специфическими параметрами импульсных диодов являются время установления прямого напряжения диода и время восстановления обратного сопротивления.

Время установления прямого напряжения диода t_уст  это интервал времени от момента подачи импульса прямого напряжения на диод до момента достижения заданного значения прямого тока.

Время восстановления обратного сопротивления t_вос  это интервал времени от момента прохождения тока через ноль после переключения диода с заданного прямого тока в состояние заданного обратного напряжения до момента достижения обратным током заданного низкого значения.

По времени восстановления импульсные диоды подразделяют на три группы:

- высокого быстродействия (t_вос  10 нс);

- среднего быстродействия (10 нс  t_вос  100 нс);

- низкого быстродействия (t_вос  100 нс).

Импульсные диоды характеризуются также величинами максимального прямого и обратного импульсного тока, максимального импульсного прямого сопротивления.

Время, в течение которого обратный ток постоянен, называют временем среза.

Для импульсных диодов время среза t_ср и время восстановления обратного сопротивления диода являются важными параметрами. Для уменьшения их значения существуют несколько способов. Во-первых, можно уменьшать время жизни неравновесных носителей в базе диода за счет введения глубоких рекомбинационных центров в квазинейтральном объеме базы. Во-вторых, можно делать базу диода тонкой для того, чтобы неравновесные носители рекомбинировали на тыльной стороне базы.

Другим способом уменьшения времени восстановления обратного сопротивления является использование базы с неравномерной концентрацией примеси. У таких диодов концентрация примесей в базе при приближении к р-п-переходу уменьшается, поэтому неравномерной оказывается и концентрация основных носителей ‑ электронов. За счет этого электроны диффундируют в сторону р-п-перехода, оставляя вдали от него нескомпенсированный заряд положительных ионов. Это приводит к возникновению электрического поля в базе, направленного в сторону перехода. Под действием этого поля дырки, инжектированные в базу при включении диода в прямом направлении, концентрируются (накапливаются) у границы р-п-перехода. Поэтому такие диоды называют диодами с накоплением заряда.