Особенности работы диодов при прохождении через них импульсных сигналов

Для понимания сути процессов, происходящих в диоде при работе в высокочастотных импульсных цепях рассмотрим прохождение через него прямоугольного сигнала (т.е. сигнала с малой длительностью фронта и среза). При этом диод включается по схеме, приведенной на рис. 3.1-1.

Рис. 3.1-1. Схема включения диода при рассмотрении переходных процессов

В случае, когда входной прямоугольный сигнал является двуполярным, переходные процессы в диоде будут характеризоваться диаграммами, представленными на рис. 3.1-2.

Рис. 3.1-2. Переходные процессы в диоде при прохождении через него двуполярного прямоугольного сигнала

Для анализа приведенных зависимостей можно воспользоваться выражением для тока диода в переходном режиме:

\( I_д = \cfrac{Q_б}{\tau_б} + \cfrac{\operatorname{d}Q_б}{\operatorname{d}t} + C_б \cfrac{\operatorname{d} U_{p-n}}{\operatorname{d}t}\) ,

где:

\(Q_б\) — объемный заряд неосновных носителей в области базы диода;

\(\tau_б\) — время жизни неосновных носителей в области базы;

\(C_б\) — барьерная емкость перехода;

\(U_{p-n}\) — напряжение на \(p\)-\(n\)-переходе диода.

Первое слагаемое выражения связано с рекомбинацией неосновных носителей в области базы. Второе слагаемое определяет изменение во времени объемного заряда неосновных носителей в области базы. Третье — обусловлено перезарядом барьерной емкости \(p\)-\(n\)-перехода при изменении входного сигнала во времени.

Таким образом, основными причинами инерционности заряда являются: эффект накопления избыточного заряда в базовой области прибора и наличие барьерной емкости перехода.

Рассмотрим участок времени \([t_0;t_1]\), когда входное напряжение скачком увеличивается от \(–U_{вх обр}\) до \(+U_{вх пр}\).

При увеличении прямого тока сопротивление базы диода уменьшается (эффект модуляции сопротивления области базы). Поскольку скорость накопления избыточного заряда в области базы конечна, то установление прямого сопротивления диода требует некоторого времени. Учитывая, что \(R_Н \gg r_{д пр}\), можно показать, что ток диода не зависит от его сопротивления. Поэтому эффект модуляции сопротивления базы приводит к появлению резкого выброса напряжения на диоде при его включении.

Перезаряд барьерной емкости диода \(C_б\), наоборот, ведет к замедлению скорости увеличения напряжения на диоде.

Вследствие действия двух противоположных тенденций реальный вид переходного процесса определяется конкретным соотношением параметров диода. При малых уровнях инжекции превалирующими являются процессы, связанные с перезарядом емкости \(C_б\). При больших уровнях инжекции — процессы, связанные с изменением объемного заряда области базы. Поэтому для диодов различных типов переходные процессы при включении могут иметь качественно отличный вид. На приведенной на рис. 3.1-2 диаграмме представлен случай большого уровня инжекции и соответственно малого влияния \(C_б\).

Длительность всплеска напряжения на диоде \(\tau_у\) называется временем установления. Рассчитанное для \(1,2 U_{д пр}\), оно примерно равно: \(\tau_у \approx 2,3 t_б\) , а максимальное падение напряжения на диоде:

\(U_{д пр max} \approx \varphi_к + I_{пр} \cdot r_{дб}\),

где:

\(\varphi_к\) — контактная разность потенциалов,

\(r_{дб}\) — сопротивление области базы диода.

Интервал времени [t1;t2] характеризует установившийся режим в диодном ключе. В базовой области диода накоплен избыточный заряд неосновных носителей \(Q_б = I_{пр} \cdot \tau_б\). Концентрация избыточных носителей при этом падает по мере удаления от перехода. Прямой ток, протекающий через диод, равен:

\(I_{пр} = \cfrac{U_{вх пр} – U_{д пр}}{r_{д пр} + R_н}\).

В момент времени \(t_2\) входное напряжение изменяет свою полярность на обратную. Однако до момента \(t_4\) диод будет находиться в проводящем состоянии. До момента \(t_3\) через него в обратном направлении будет протекать ток, импульсное значение которого \(I_{обр}\) и соизмеримо с \(I_{пр}\). Далее, по мере рассасывания объемного заряда неосновных носителей в области базы и разряда барьерной емкости на интервале \([t_3;t_4]\), обратный ток через диод будет уменьшаться, стремясь к своему установившемуся значению.

Как видно из приведенной диаграммы (рис. 3.1-2), в момент времени \(t_2\) смены полярности входного напряжения падение напряжения на диоде скачком уменьшается на долю падения напряжения на активном сопротивлении диода \( \operatorname{d} U_д = r_{дб} \left( I_{пр} + I_{обр и} \right)\) и далее остается постоянным. Это объясняется тем, что избыточный заряд, накопленный в базовой области диода во время его прямого смещения, остается достаточным для поддержания импульса обратного тока на уровне:

\( I_{обр и} = \cfrac{U_{обр} - \left[ U_{д пр} - r_{дб} \left( I_{пр} + I_{обр и} \right) \right] }{\tau_б} \),

т.е. непосредственно после смены полярности \(U_{вх}\) диод обладает практически нулевым сопротивлением.

Для интервала времени \([t_2;t_3]\): \(I_д = –I_{обр и}\). Предполагая, что в конце этого интервала концентрация неосновных носителей заряда в непосредственной близости к \(p\)-\(n\)-переходу уменьшается до нуля, получим:

\(t_{рас} = t_3 – t_2 \approx t_б \cdot \ln{\left( 1+ \cfrac{I_{пр}}{I_{обр и}} \right)} \).

Временной интервал \(t_{рас}\) называется временем рассасывания неосновных носителей из области базы. Следует отметить, что приведенное выражение является приближенным, так как не учитывает особенностей изменения пространственного заряда \(Q_б\), характерных для диодов, изготовленных по различным технологиям.

На временном интервале \([t_3;t_4]\) суммарный объемный заряд в области базы уменьшается до нуля, что характеризуется уменьшением тока диода от значения \(I_{обр и}\) до величины \(I_{обр}\), соответствующей стационарному обратному току диода в выключенном состоянии.

Длительность интервала \(t_{сп} = t_4 – t_3\), называемого временем спада обратного тока диода, также сильно зависит от технологии его изготовления. Реально: \(t_{сп} \approx {(0,1...1)} \cdot t\), т.е. практически для всех типов диодов \(t_{рас} > t_{сп}\). Временной интервал \(t_{рас} + t_{сп} = t_{вос}\) носит название времени восстановления обратного сопротивления диода и является важной характеристикой быстродействия. Поскольку tвос сильно зависит от условий переключения диода, часто пользуются не временем, а зарядом переключения:

\( Q_{пер} = {\huge \int \normalsize}_{t_2}^{t_4} I_{обр}(t) \operatorname{d}t \).

В случае, когда напряжение входного прямоугольного сигнала не является двуполярным, на диаграммах переходных процессов возникнут качественные отличия от приведенного на рис. 3.1-2 вида.

Временные диаграммы для случая однополярного прямоугольного сигнала приведены на рис. 3.1-3.

Рис. 3.1-3. Переходные процессы в диоде при прохождении через него однополярного прямоугольного сигнала

Очевидно, что и в этом случае переходные процессы будут сильно искажать форму сигнала, проходящего через диод в нагрузку.

Процесс включения диода аналогичен случаю двуполярного сигнала. Существенные отличия наблюдаются при выключении диода.

После окончания действия напряжения \(U_{пр}\) в момент времени \(t_2\) напряжение на диоде резко уменьшается на \(\Delta U_д = r_{д обр} \left( I_{пр} + I_{обр и} \right) \) и затем еще достаточно продолжительное время сохраняет полярность прямосмещенного диода. При условии \(U_{вх} = 0\) это означает, что к нагрузке прикладывается напряжение обратной полярности, равное:

\( U_{вых обр} \approx - \left[ U_{пр} - r_{д пр} \left( I_{пр} + I_{обр и} \right) \right] \cfrac{R_н}{R_н + R_{вн}} \),

где \( R_{вн}\) — внутреннее сопротивление источника сигнала.

Причиной возникновения этого напряжения является объемный заряд \(Q_б\), накопленный в области базы. После окончания импульса \(U_{вх}\) неосновные носители в области базы постепенно рекомбинируют, создавая ток в цепи нагрузки диода. Поэтому длительность интервала \([t_2;t_3]\) определяется как собственными параметрами диода, так и параметрами внешней цепи. При уменьшении сопротивления разряда \(R_{раз} = R_н \cfrac{R_{вн}}{R_н + R_{вн}}\) длительность \([t_2;t_3]\) уменьшается.

Напряжение, присутствующее на диоде после окончания импульса \(U_{вх}\) принято называть послеинжекционным.

Таким образом, при применении диодов в импульсных цепях следует учитывать, что их некоторая инерционность является причиной искажения формы проходящих через них импульсов. Причем эти искажения тем существеннее, чем меньше длительность обрабатываемых импульсов и их фронтов (срезов).