При исследовании выпрямительных диодов обнаружено, что с повышением частоты величина выпрямленного тока значительно уменьшается (см. эквивалентную схему диода рис.2.11).
Частотные характеристики улучшаются при уменьшении площади выпрямляющего контакта и при снижении времени жизни неосновных носителей заряда. В диапазоне от 10-и до нескольких 100 МГц в качестве выпрямителей эффективно работают точечные диоды (площадь выпрямляющего контакта которых менее 10-5см2).
Сейчас выпускаются нашей промышленностью германиевые точечно-контактные ВЧ диоды (Uобр макс до 150В, Iпр до 50 мА), кремниевые (Uобр макс до 80 В, Iпр до 1,5 А), арсенид-галлиевые (Uобр макс до 10 В, Iпр до 30 мА) и др.
Следует отметить, что созданы плоскостные быстродействующие импульсные диоды (Д219, Д220, КД503 и др.), которые с успехом конкурируют в ВЧ схемах с точечными диодами.
Выпрямляющий контакт в точечных германиевых диодах получается путем прижима жесткой заостренной (электролитически) иглы из сплава вольфрама с молибденом к поверхности кристалла (n-Ge).
Радиус области соприкосновения менее 5 - 7 мкм. Для улучшения ВАХ и обеспечения ее стабильности используют электроформовку (пропускают импульс тока до 1 А) в результате сильного повышения температуры в месте контакта образуются термоакцепторы, которые из приконтактной области диффундируют вглубь кристалла и приводят к образованию р-п- перехода.
При изготовлении некоторых типов диодов на конец иглы наносят примесь, образующую акцепторные центры в германии (индий, алюминий). В результате электроформовки в этом случае в n-Ge образуется сильно легированная р- область.
ВАХ таких контактов в начальной части описывается формулой (73), а при значительном прямом токе определяется величиной сопротивления базы rб рис.2.20, которое можно оценить через величину удельного сопротивления полупроводника и радиус контакта а по формуле:
.
Кремниевые точечно-контактные диоды в конструктивном отношении не отличаются от германиевых (рис.2.21, где нумерация деталей соответствует рис.2.17). Но для них используют n-Si, а контактная пружина покрывается алюминием, что обеспечивает после формовки образование высококачественного р-п- перехода.
Рис.2.20 Рис.2.21
Основными электрическими параметрами выпрямительных (плоскостных и точечно-контактных) диодов при работе в ключевых, логических устройствах и в цепях постоянного тока являются следующие статические параметры:
- прямок падение напряжения Uпр;
- постоянный обратный ток Iобр;
- максимально допустимый прямой ток Iпр макс и обратное напряжение Uобр макс;
динамические параметры (характеризующие работу диодов в выпрямительных схемах):
-Iвыпр- среднее за период значение выпрямленного тока;
- Uпр ср – среднее значение прямого падения напряжения при заданном среднем значении прямого тока;
- Iобр.ср- среднее за период значение обратного тока при заданном значении обратного напряжения;
- Uобр.ср – среднее за период значение обратного напряжения;
- - диапазон частот, в пределах которого выпрямленный ток диода не снижается ниже заданного уровня.
Существует еще ряд параметров необходимых для расчета и конструирования схем. Это:
- дифференциальное сопротивление Rдиф;
- емкость диода Сд = (Сд + Сб) при заданном напряжении смещения и др.
К предельно допустимым эксплуатационным режимам относятся также:
-максимальное значение выпрямленного тока Iпр.макс и обратного напряжения Uпр макс;
- максимальная и минимальная температура окружающей среды;
- максимальная мощность рассеивания Рмакс;
- максимальное значение импульсного прямого и выпрямленного тока.
Импульсные диоды
Главным признаком, отличающим импульсные диоды, является малая площадь р-n -перехода и малое время жизни неравновесных носителей заряда. Свойства и параметры таких приборов определяются переходными процессами, рассмотренными в предыдущем разделе.
По способу изготовления р-n- перехода они подразделяются на точечные (сплавные и сварные) и диффузионные (меза и планарные). Структура таких переходов приведена на рис.2.3, соответственно а,б,в,г.
Важным параметром импульсных диодов является время восстановления обратного сопротивления или тока tобр (равное интервалу времени между моментом переключения напряжения на диоде с прямого на обратное и моментом, когда обратный ток достигнет заданного значения). По этому параметру диоды подразделяют на микросекундные 0,1 мкс < tобр < 0,1 мкс и наносекундные tобр < 0,1 мкс.
Наибольшее распространение получили диффузионные импульсные диоды. В этих приборах используется метод диффузии донорных или акцепторных примесей, которые проникая на некоторую глубину под поверхностью, меняют тип проводимости этой части кристалла, вследствие чего возникает р-n- переход. Для получения малой емкости осуществляют травление приповерхностных слоев полупроводника, в результате р-n- переход сохраняется лишь на очень малом участке, возвышающимся над кристаллом (это так называлась меза-структура – рис.2.3,в).
Другой разновидностью диффузионных диодов представляют собой планарные и планарно-эпитаксиальные приборы (рис.2.3,г). При их изготовлении диффузия активной примеси ведется (в Si) локально через «окно» в защитной окисной пленке. Получающиеся р-n- переходы отличаются высокой степенью однородности параметров и надежностью.
В таких диодах из-за плавного изменения концентрации примеси в области р-n- перехода и большой ширины области объемного заряда удельная емкость оказывается меньше, чем в структурах, полученных по сплавной технологии.
Важнейшей особенностью диффузионных диодов является существование в базе тормозящего поля, обусловленного неравномерным распределением примеси.
Усовершенствованием таких диодов в плане сокращения отношения величины t1/t2 (см.рис.2.16) являются диоды с накоплением зарядов (ДНЗ).
Величина тормозящего поля в этих диодах оценивается как
,
где а – градиент концентрации; N - концентрация ионизированной примеси в данной точке базы.
Степень влияния этого поля на вид переходного процесса определяется соотношением величины Е(х) с диффузионной длиной дырок в базе Lр; для количественной оценки можно воспользоваться безразмерным коэффициентом
.
При создании ДНЗ для получения прямоугольной переходной характеристики стремятся максимально увеличить величину (среднего времени жизни дырок в n- области) tр, определяющую тормозящее поле. Значение Еп в реальных ДНЗ больше 5.
Для характеристики инерционности импульсных диодов используют параметры аналогичные выпрямительным диодам:
-Uпр, Iобр, Uобр макс, Iпр макс; Сд и ряд специфических параметров:
- восст - отрезок времени от момента прохождения тока чрез нуль (при переключении с прямого тока на обратное импульсное напряжение), до момента когда обратный ток диода уменьшается до заданного уровня (tвосст до 0,07 мксек и менее).
- Uпр тип. макс – максимальное прямое импульсное падение напряжения на диоде при заданной величине импульса прямого тока (до1 В).
- Iпр имп макс – максимально жопустимый импульсный ток через диод с оговоренной максимальной длительностью импульса, при котором обеспечивается заданная надженость диода при длительной работе (до 500 мА)
- rпр макс - максимальное импульсное сопротивление равное отношению наибольшего значения амплитуды импульса прямого напряжения на диоде к току, при котором производилось измерение (50-100 Ом).