Диоды с накоплением заряда

Диоды с накоплением заряда (ДНЗ) с одной стороны являются разновидностью импульсных диодов, с другой – генераторными диодами СВЧ диапазона [7].

Полупроводниковый диод, в базе которого существует электрическое поле (рисунок 6.10,а), тормозящее инжектируемые неосновные носители заряда, прижимающее их к p-n переходу, называется диодом с накоплением заряда или диодом с резким восстановлением обратного сопротивления.

Тормозящее электрическое поле можно

создать за счет неоднородного легирования

p n базы диода основной примесью. Например,

a) если в базе n-типа концентрация донорной

примеси увеличивается по мере удаления

0 x от p-n перехода (рисунок 6.10, б), то вектор

Na Na, Nd напряженности электрического поля будет

направлен к p-n переходу. Подвижные

– + Nd электроны скатываются под действием

б) градиента концентрации, оставляя

нескомпенсированные ионы доноров.

За время релаксации Максвелла

0 x встраивается электрическое поле.

Рисунок 6.10 - Модель диода с накоплением

заряда (а) и распределение концентрации примеси в нем (б)

В отсутствии внешнего напряжения ток электронов в неоднородно легированной базе равен нулю.

.

Отсюда напряженность тормозящего встроенного электрического поля

или, так как n(x) = N_d(x), то

.

Если распределение концентрации доноров в базе диода подчиняется экспоненциальному закону N_d(x) = N_d(0)exp(x/l_d), то напряженность встроенного поля становится константой, не зависящей от x:

,

где l_d – расстояние, на котором концентрация примеси меняется в 2,7 раза.

I

I_пр P Рисунок 6.12 - Распределение

избыточной концентрации

2 дырок в базе обычного диода (1)

и диода с накоплением заряда (2)

t

0 1

I_обр 1

0 x

Рисунок 6.11 - Зависимость силы

тока от времени при переключении из пропускного

в запорное состояние для обычного диода (1) и для ДНЗ (2)

Диоды с накоплением заряда отличаются от обычных диодов более резким спадом обратного тока в течение второй фазы переходного процесса переключения из пропускного в запорное состояние (рисунок 6.11). Поскольку тормозящее поле прижимает инжектированные при протекании прямого тока дырки к p-n переходу, то в базе диода с накоплением заряда подавляющая их часть концентрируется вблизи плоскости х = 0 (рисунок 6.12). В глубь базы проникает лишь незначительная часть избыточных дырок. За счет этого длительность первой фазы переходного процесса переключения (t₁), должна увеличиться по сравнению с t₁ обычного диода. Практически все избыточные дырки выходят из базы диода с накоплением заряда в течение этой фазы переходного процесса.

Наоборот длительность второй фазы переходного процесса переключения (фазы восстановления обратного тока) у диода с накоплением заряда резко сокращается. Это следует из того, что обратный ток в течение этой фазы переходного процесса обусловлен экстракцией избыточных дырок, оставшихся в глубине базы диода к моменту времени t = t₁ , а концентрация таких дырок ничтожно мала. Следовательно, после окончания первой фазы переходного процесса обратный ток почти мгновенно должен уменьшится до своего стационарного значения I_s при обратном смещении (см. рисунок 6.11). Расчеты показали, что при наличии сильного тормозящего поля (q L_p/2kT > 1) длительность второй фазы переходного процесса t₂ ≈ 2(kT/q)² / D_p ². У современных диодов с накоплением заряда значения t₂ лежат в пикосекундном диапазоне.

Указанные особенности переходного процесса переключения подтверждены экспериментально и определяют области практического применения диодов с накоплением заряда. В качестве первого примера практического применения таких диодов укажем на использование их для создания генераторов гармоник высокого порядка в УКВ- и СВЧ- диапазонах. Простейшая схема генератора гармоник параллельного типа приведена на рисунке 6.13. В этой схеме переменное напряжение U₁sin t подается на диод с накоплением заряда, рабочая точка которого устанавливается на прямой ветви вольт-амперной характеристики вследствии автоматического смещения, получаемого при помощи RС-цепочки за счет длительной фазы послеинжекционной ЭДС.

R_BH V_CМ

R

U₁ sin t R_H

C

Рисунок 6.13 - Схема генератора гармоник параллельного типа

Емкость конденсатора выбирается такой, чтобы RC >> . Тогда можно считать, что напряжение на конденсаторе не содержит переменной составляющей. На рисунке 6.14 изображен примерный вид осциллограммы тока через диод с накоплением заряда, используемый в этой схеме. Вследствие ступенчатого спада обратного тока через диод выходной сигнал содержит большой набор высоких гармонических составляющих, которые могут быть использованы для эффективного умножения частоты. Для умножения частоты можно использовать нелинейную емкость p-n перехода обычного диода, работающего при обратном смещении (без переключения из пропускного в запорное состояние), однако при этом получается спектр частот, менее богатый высокими номерами гармоник.

Очевидным является использование диодов с накоплением заряда для формирования сигналов с крутыми перепадами напряжения и коротких импульсов. Если на вход схемы, изображенной на рисунке 6.15 подать сигнал V₁ с относительно пологим фронтом, то протяженность фронта выходного сигнала V₂ будет определяться длительностью второй фазы переходного процесса переключения диода с накоплением заряда (t₂). Действительно, в этой схеме постоянное смещение подано на диод в пропускном направлении, а при подаче напряжения V₁ в запорном направлении возникает переходный процесс переключения. Причем в течение первой фазы переходного процесса диод обладает ничтожно малым сопротивлением нагрузки, но при t > t₁ его сопротивление скачком возрастает, что приводит к появлению резкого перепада напряжения на выходе. Диоды с накоплением заряда используются также для создания диодных усилителей и ряда других схем [7].

К импульсным параметрам диода ДНЗ относятся: емкость диода, длительность первой и второй фаз переходного процесса переключения, эффективное время жизни избыточных носителей заряда в базе диода.

Рисунок 6.14 - Зависимость тока от времени для диода

с накоплением заряда при подаче синусоидального

напряжения

Рисунок 6.15 - Схема формирователя и графики зависимости

от времени входного и выходного напряжений и силы тока

через диод