Параметры импульсных диодов. Диоды импульсные реферат

Импульсные диоды

Количество просмотров публикации Импульсные диоды - 437

Импульсный диод – это диод с малой длительностью переходных процессов, предназначенный для применения в импульсных режимах работы. Οʜᴎ применяются в качестве коммутирующих элементов (к примеру, в ЭВМ), для детектирования высокочастотных сигналов и для других целœей.

При быстрых изменениях напряжения на диоде в - переходе возникают переходные процессы, обусловленные двумя основными процессами. Первое - ϶ᴛᴏ накопление небазовых носителœей в базе диода при его прямом включении, ᴛ.ᴇ. заряд диффузионной емкости. А при смене напряжения на обратное (или при его уменьшении) - рассасывание этого заряда. Второе явление - ϶ᴛᴏ перезарядка барьерной емкости, которая тоже происходит не мгновенно, а характеризуется постоянной времени , где - дифференциальное сопротивление диода (сопротивление по переменному току), а - барьерная емкость - перехода.

Первое явление играет основную роль при больших плотностях прямого тока через диод, заряд барьерной емкости в данном случае играет второстепенную роль. При малых плотностях тока переходные процессы в диоде определяются вторым явлением, а второстепенную роль играет уже накопление небазовых носителœей заряда в базе.

Рассмотрим процесс переключения диода из состояния высокой проводимости (диод открыт) в состояние низкой проводимости (диод закрыт) (рисунок 1.11 )При приложении прямого напряжения возникает значительный прямой ток, что приводит к накоплению небазовых носителœей заряда в области базы (это высокоомная n - область).

При переключении диода с прямого направления на обратное в начальный момент через диод идет большой обратный ток, ограниченный, в основном, объёмным сопротивлением базы. Со временем накопленные в базе неосновные носители рекомбинируют или уходят через - переход, и обратный ток уменьшается до своего стационарного значения. Весь данный процесс занимает время восстановления обратного сопротивления – интервал времени от момента прохождения тока через нуль после переключения диода до момента достижения обратным током заданного низкого значения. Это один из базовых параметров импульсных диодов, и по его значению они делятся на шесть групп: >500 нс; =150…500 нс;=30…150 нс, =5…30 нс; =1…5 нс и <1 нс.

Рисунок 1.11 - Процесс переключения диода из открытого состояния в закрытое

При пропускании импульса тока в прямом направлении наблюдается выброс напряжения в первый момент после включения (рисунок 1.12 ), что связано с повышением напряжением до тех пор, пока не закончится накопление небазовых носителœей в базе диода. После этого сопротивление базы понижается и напряжение уменьшается.

Рисунок 1.12 -. Процесс переключения диода из закрытого состояния в открытое

Этот процесс характеризуется вторым параметром импульсного диода – временем установления прямого напряжения , равным интервалу времени от начала импульса тока до достижения заданного значения прямого напряжения.

Значения этих параметров зависят от структуры диода и от времени жизни небазовых носителœей заряда в базе диода. Для уменьшения времени жизни небазовых носителœей в базу вводится небольшое количество примеси золота. Атомы золота служат дополнительными центрами рекомбинации, в результате их введения уменьшается время жизни носителœей заряда, а следовательно, и диффузионная емкость - перехода. Уменьшение барьерной емкости достигается технологическим и конструктивным методами. Импульсные диоды изготавливаются на базе планарной технологии, эпитаксиального наращивания, ионно-лучевой технологии. Основным полупроводниковым материалом при этом служит кремний.

В быстродействующих импульсных цепях широко используют диоды Шоттки (рисунок 1.13) в которых переход выполнен на базе контакта металл-полупроводник. Условное обозначение показано на рис.16.

Рисунок 1.13- Условное обозначение диода Шоттки

У этих диодов не затрачивается время на накопление и рассасывание зарядов в базе, их быстродействие зависит только от скорости процесса перезарядки барьерной емкости. Вольт-амперная характеристика диодов Шоттки напоминает характеристику диодов на базе - переходов. Отличие состоит в том, что прямая ветвь в пределах 8 - 10 декад приложенного напряжения представляет почти идеальную экспоненциальную кривую, а обратные токи - малы (доли-десятки наноампер).

Конструктивно диоды Шоттки выполняют в виде пластины низкоомного кремния, на которую нанесена высокоомная эпитаксиальная пленка с электропроводностью того же типа. На поверхность пленки вакуумным напылением нанесен слой металла.

Диоды Шоттки применяют также в выпрямителях больших токов и в логарифмирующих устройствах.

referatwork.ru

Параметры импульсных диодов

По величине tвост импульсные диоды подразделяются на:

скоростные, или микросекундные 1мкс< tвост <0,1мс

сверхскоростные, или наносекундные tвост <0,1мкс

Варикапы

Варикапы – это полупроводниковый диод, в котором используется зависимости барьерной емкости Сбар р-п перехода от обратного напряжения. Для большинства реальных р-п переходов зависимость Сбар(Uобр) можно представить в виде

Сбар(Uобр)=AS(Uобр +0)-n пФ,

где A – постоянный коэффициент для данного перехода; S – площадь перехода, мм2 ; Uобр – обратное напряжение, В; 1/2  n  1/3, 00,8 В.

Например, для сплавных переходов A=128, n=1/2:

Варикапы широко применяются в радиотехнических устройствах для электронной (дистанционной) перестройки колебательных контуров в диапазонах в диапазонах радиоволн – коротковолновом (КВ), ультракоротковолновом (УКВ) и дециметровом (ДЦВ). По сути варикап это полупроводниковый управляемый напряжением конденсатор. Он заменяет в радиоустройствах конденсаторы переменной емкости довольно внушительных габаритов. Особенно эффективно применение варикапов в микроэлектронных радиоустройствах.

Параметры варикапов.

Cн – номинальная емкость, измеренная между выводами при небольшом обратном напряжении Uобр =25 В. Для большинства варикапов Cн 10500 пФ.

Kc – коэффициент перекрытия по емкости, равный отношению Cбар max / Cбар min  520.

Cбар max = Cбар (Uобр min), Cбар min = Cбар (Uобр max).

Q – добротность, определяемая отношением реактивного сопротивления варикапа Xc к полному сопротивлению потерь rs при заданном обратном напряжении на заданной частоте

Q = Xc/rs  20500.

На высокой частоте Xc=1/ Cбар и Qв =1/ rs  Cбар

Диоды Шоттки

В последнее время достаточно широко в электронных приборах, особенно в микросхемах, используется барьер Шоттки, являющийся основой диода Шоттки (ДШ). Барьер Шоттки образуется в переходе металл – полупроводник. Возможны металло-дырочный или металло-электронный переходы. По свойствам ДШ аналогичен рассмотренным ранее диодам с электронно-дырочным переходом, но отличается от них параметрами. Переход металл – полупроводник часто называют «контакт металл – полупроводник».

Для изготовления ДШ в качестве основы используют низкоомный кремний n-типа (n+) с тонким слоем (плёнкой) высокоомного кремния того же типа (n). На поверхность высокоомной плёнки кремния (n-Si) наносят металлический электрод из золота методом напыления в вакууме. На границе плёнки золота и высокоомной плёнки n-Si образуется выпрямляющий контакт (переход).

Au

AПереходhos

высокоомная

nпленкаSi-n

n+

основание Si-n+

Рис.7.

Прямое напряжение на ДШ меньше на 0,2-0,3 В, чем на кремниевом p-n переходе. Прямое напряжение не превышает 0,4 В. Это важное свойство ДШ позволяет существенно повысить быстродействие ключевых элементов в цифровой импульсной технике применением «ключей Шоттки».

Кроме сверхскоростных и сверхвысокочастотных диодов на базе барьера Шоттки можно создавать и мощные высокочастотные выпрямительные ДШ. Созданы ДШ, работающие на частоте 1 МГц при Uобр≥50 В и Iпр≥10 А.

ВАХ:

Ua

Рис.8.

studfiles.net

Полупроводниковые диоды — реферат

Импульсный  диод

Импульсные диоды предназначены  для работы в цепях с очень  быстрым (импульсным) изменением тока по величине и по направлению. При быстром изменении напряжения (тока) на диоде ток (напряжение) через диод в соответствии со статической характеристикой (3.9) устанавливается не сразу, а через некоторое время, обусловленное инерционностью диода. Инерционность диода связана с конечной скоростью установления концентрации неравновесных носителей при внешнем смещении р-n перехода. Поэтому для импульсных диодов наряду с параметрами, определенными из статической вольт-амперной характеристики, вводят еще ряд параметров, характеризующих инерционность диода. Основные из них:

1. tвосст - время восстановления обратного сопротивления при переключении из прямого направления в обратное в момент t1 (рис.5). В начальный момент после переключения Ua обратный ток намного больше установившегося (3.8) из-за высокой неравновесной концентрации неосновных носителей, оставшихся от прямого смещения. В течение tвосст концентрация неосновных носителей уменьшается, а обратный ток достигает заданного значения (несколько большего, чем из (3.8), как показано на рис.5).

Рис. 5

Рис.6

2. tуст - время установления прямого сопротивления диода при переключении из обратного направления в прямое в момент t1 (рис.6). В начальный момент включения прямого тока величина прямого напряжения (сопротивления) на p-n переходе больше, чем это следует из (3.7), так как концентрация инжектированных (неосновных) носителей еще мала. В течение tуст концентрация инжектированных носителей достигает величины, близкой к установившейся, а прямое напряжение (сопротивление) уменьшается до 1,1 Unp , соответствующего статической вольт-амперной характеристике (3.7). Этот процесс еще характеризуют максимальным импульсным прямым напряжением Unp.имп.max.

3. Сд - емкость диода при заданном смещении. Часто Сд  измеряется при Uобр= 5 В.

Импульсные диоды выполняются точечными и плоскостными с малой площадью перехода.

Параметры импульсных диодов

По величине  tвост импульсные диоды подразделяются на:

скоростные, или микросекундные  1мкс< tвост <0,1мс

сверхскоростные, или  наносекундные       tвост <0,1мкс

Варикапы

Варикапы – это  полупроводниковый диод, в котором  используется зависимости барьерной емкости Сбар р-п перехода от обратного напряжения. Для большинства реальных р-п переходов зависимость Сбар(Uобр) можно представить в виде

 Сбар(Uобр)=A·S(Uобр +j0)-n  пФ,       

где A – постоянный  коэффициент для данного перехода; S – площадь перехода, мм2 ; Uобр – обратное напряжение, В; 1/2 ³ n ³ 1/3, j0»0,8 В.

Например, для сплавных переходов A=128, n=1/2:

Варикапы широко применяются в радиотехнических устройствах для электронной (дистанционной) перестройки колебательных контуров в диапазонах в диапазонах радиоволн – коротковолновом (КВ), ультракоротковолновом (УКВ) и дециметровом (ДЦВ). По сути варикап это полупроводниковый управляемый напряжением конденсатор. Он заменяет в радиоустройствах конденсаторы переменной емкости довольно внушительных габаритов. Особенно эффективно применение варикапов в микроэлектронных радиоустройствах.

Параметры варикапов.

Cн – номинальная емкость, измеренная между выводами при небольшом обратном напряжении Uобр =2¸5 В. Для большинства варикапов Cн @ 10¸500 пФ.

Kc – коэффициент перекрытия по емкости, равный отношению Cбарmax / Cбар min » 5¸20.

Cбарmax = Cбар (Uобр min), Cбарmin = Cбар (Uобр max).

Q – добротность, определяемая отношением реактивного сопротивления варикапа Xc к полному сопротивлению потерь rs при заданном обратном напряжении на заданной частоте

Q = Xc/rs » 20¸500.

На высокой частоте Xc=1/w ·Cбар и Qв =1/ rs ·w ·Cбар

Диоды Шоттки

В последнее время  достаточно широко в электронных  приборах, особенно в микросхемах, используется барьер Шоттки, являющийся основой  диода Шоттки (ДШ). Барьер Шоттки образуется в переходе металл – полупроводник. Возможны металло-дырочный или металло-электронный переходы. По свойствам ДШ аналогичен рассмотренным ранее диодам с электронно-дырочным переходом, но отличается от них параметрами. Переход металл – полупроводник часто называют «контакт металл – полупроводник».

Для изготовления ДШ в  качестве основы используют низкоомный кремний n-типа (n+) с тонким слоем (плёнкой) высокоомного кремния того же типа (n). На поверхность высокоомной плёнки кремния (n-Si) наносят металлический электрод из золота методом напыления в вакууме. На границе плёнки золота и высокоомной плёнки n-Si образуется выпрямляющий контакт (переход).

                                                                 Au

                                         A                            Переход hos                     

                                                                     высокоомная                                                    

                                    n                                 пленка Si-n       

                                    n+

                                                                     основание Si-n+

Рис.7.

Прямое напряжение на ДШ меньше на 0,2-0,3 В, чем на кремниевом p-n переходе. Прямое напряжение не превышает 0,4 В. Это важное свойство ДШ позволяет существенно повысить быстродействие ключевых элементов в цифровой импульсной технике применением «ключей Шоттки».

Кроме сверхскоростных  и сверхвысокочастотных диодов на базе барьера Шоттки можно создавать  и мощные высокочастотные выпрямительные ДШ. Созданы ДШ, работающие на частоте 1 МГц при Uобр≥50 В и Iпр≥10 А.

ВАХ:

                                                                                                         Ua             

Рис.8.

Список литературы

1)Полупроводниковые приборы. Диоды выпрямительные, стабилитроны,                   тиристоры: Справочник/А.Б. Гитцевич, А.А. Зайцев, В.В. Мокряков и др.; Под ред.А.В. Голомедова. - М.: Радио и связь, 1988.

-528с.: ил.

2)Полупроводниковые приборы. Диоды высокочастотные, диоды импульсные, оптоэлектронные приборы: Справочник/А.Б. Гитцевич, А.А. Зайцев, В.В. Мокряков и др.; Под ред.А.В. Голомедова. - М.: Радио и связь, 1988.-592 с.: ил.

3)Основы микроэлектроники: Учеб. Пособие для вузов /И.П. Степаненко.- 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2003.- 488 с.:ил.

4)Физические основы микроэлектроники. Курс лекций / И.И. Бобров, Г.В. Кропачев; Пермский государственный технический университет. Пермь, 2000. 130 c.

myunivercity.ru

Параметры туннельных диодов

Точечный диод

Точечные диоды имеют р-п переход в виде полусферы с очень малой площадью перехода (рис.4). Технология их изготовления сравнительно проста. Жесткая заостренная игла из сплава вольфрама с молибденом прижимается к базовой пластинке германия (или кремния) п-типа, помещается в корпус и герметизируется. После сборки и герметизации производится электроформовка - пропускание через прижимной контакт импульсов тока с большой амплитудой. Под действием этих импульсов под острием иглы образуется p-область (с очень малыми размерами) и р-п переход на границе с исходным полупроводником п‑типа. Точечные диоды изготовляются на сравнительно небольшие токи и обратные напряжения, но зато они дешевы и рабочие частоты их высоки.

Некоторые параметры точечных диодов

Импульсный диод

Импульсные диоды предназначены для работы в цепях с очень быстрым (импульсным) изменением тока по величине и по направлению. При быстром изменении напряжения (тока) на диоде ток (напряжение) через диод в соответствии со статической характеристикой (3.9) устанавливается не сразу, а через некоторое время, обусловленное инерционностью диода. Инерционность диода связана с конечной скоростью установления концентрации неравновесных носителей при внешнем смещении р-n перехода. Поэтому для импульсных диодов наряду с параметрами, определенными из статической вольт-амперной характеристики, вводят еще ряд параметров, характеризующих инерционность диода. Основные из них:

1. tвосст - время восстановления обратного сопротивления при переключении из прямого направления в обратное в момент t1 (рис.5). В начальный момент после переключения Ua обратный ток намного больше установившегося (3.8) из-за высокой неравновесной концентрации неосновных носителей, оставшихся от прямого смещения. В течение tвосст концентрация неосновных носителей уменьшается, а обратный ток достигает заданного значения (несколько большего, чем из (3.8), как показано на рис.5).

Рис. 5

Рис.6

2. tуст - время установления прямого сопротивления диода при переключении из обратного направления в прямое в момент t1 (рис.6). В начальный момент включения прямого тока величина прямого напряжения (сопротивления) на p-n переходе больше, чем это следует из (3.7), так как концентрация инжектированных (неосновных) носителей еще мала. В течение tуст концентрация инжектированных носителей достигает величины, близкой к установившейся, а прямое напряжение (сопротивление) уменьшается до 1,1 Unp , соответствующего статической вольт-амперной характеристике (3.7). Этот процесс еще характеризуют максимальным импульсным прямым напряжением Unp.имп.max.

3. Сд - емкость диода при заданном смещении. Часто Сд измеряется при Uобр= 5 В.

Импульсные диоды выполняются точечными и плоскостными с малой площадью перехода.

studfiles.net

Реферат - Мощные силовые диоды

Вступление

Полупроводниковый диод, двухэлектродныйэлектронный прибор на основе полупроводникового (ПП) кристалла. Понятие «Полупроводниковый диод» объединяетразличные приборы с разными принципами действия, имеющие разнообразноеназначение. Система классификации Полупроводниковыйдиод соответствует общей системе классификации полупроводниковыхприборов. В наиболее распространённом классе электропреобразовательных Полупроводниковый диод различают: выпрямительные диоды,импульсные диоды, стабилитроны, диоды СВЧ (в т. ч. видеодетекторы,смесительные, параметрические, усилительные и генераторные, умножительные,переключательные). Среди оптоэлектронных Полупроводниковыйдиод выделяют фотодиоды, светоизлучающие диоды и ПП квантовыегенераторы.   Наиболее многочисленны Полупроводниковыйдиод, действие которых основано на использовании свойств электронно-дырочногоперехода (р—n-перехода).Если к р—n-переходу диода (рис. 1)приложить напряжение в прямом направлении (т. н. прямое смещение), т. е. податьна его р-область положительный потенциал, то потенциальный барьер, соответствующийпереходу, понижается и начинается интенсивная инжекция дырок из р-области вn-область и электронов из n-области в р-область — течёт большойпрямой ток (рис. 2).Если приложить напряжение в обратном направлении (обратное смещение), топотенциальный барьер повышается и через р—n-переход протекает лишь очень малый ток неосновныхносителей заряда (обратный ток). На рис. 3 приведена эквивалентнаясхема такого Полупроводниковый диод. Нарезкой несимметричности вольтамперной характеристики (ВАХ) основана работавыпрямительных (силовых) диодов. Для выпрямительных устройств и др.сильноточных электрических цепей выпускаются выпрямительные Полупроводниковый диод, имеющиедопустимый выпрямленный ток Iвдо 300 а и максимальноедопустимое обратное напряжение U*оброт 20—30 в до 1—2 кв. Полупроводниковый диод аналогичного применения дляслаботочных цепей имеют Iв< 0,1 а и называютсяуниверсальными. При напряжениях, превышающих U*o6p,ток резко возрастает, и возникает необратимый (тепловой) пробой р—n-перехода, приводящий к выходу Полупроводниковый диод из строя. Сцелью повышения U*обрдо нескольких десятков кв используют выпрямительные столбы, в которыхнесколько одинаковых выпрямительных Полупроводниковыйдиод соединены последовательно и смонтированы в общемпластмассовом корпусе. Инерционность выпрямительных диодов, обусловленная тем,что время жизни инжектированных дырок (см. Полупроводники)составляет > 10-5—10-4 сек, ограничивает частотный предел их применения (обычнообластью частот 50—2000 гц).   Использованиеспециальных технологических приёмов (главным образом легирование германияи кремниязолотом)позволило снизить время переключения до 10-7—10-10секи создать быстродействующие импульсные Полупроводниковыйдиод, используемые, наряду с диодными матрицами,главным образом в слаботочных сигнальных цепях ЭВМ.   При невысоких пробивных напряжениях обычно развивается не тепловой, аобратимый лавинный пробой р—n-перехода— резкое нарастание тока при почти неизменном напряжении, называетсянапряжением стабилизации Ucт.На использовании такого пробоя основана работа полупроводниковыхстабилитронов. Стабилитроны общего назначения с Ucтот 3—5 в до 100—150 в применяют главным образом встабилизаторах и ограничителях постоянного и импульсного напряжения;прецизионные стабилитроны, у которых встраиванием компенсирующих элементовдостигается исключительно высокая температурная стабильность Ucт (до 1×10-5—5×10-6 К-1), — в качестве источников эталонного иопорного напряжений.  В предпробойной областиобратный ток диода подвержен очень значительным флуктуациям; это свойство р—n-перехода используют для созданиягенераторов шума. Инерционность развития лавинного пробоя в р—n-переходе (характеризующаяся временем 10-9—10-10сек)обусловливает сдвиг фаз между током и напряжением в диоде,вызывая (при соответствующей схеме включения его в электрическую цепь)генерирование СВЧ колебаний. Это свойство успешно используют в лавинно-пролётныхполупроводниковых диодах, позволяющих осуществлять генераторыс частотами до 150 Ггц.   Для детектирования ипреобразования электрических сигналов в области СВЧ используют смесительные Полупроводниковый диод и видеодетекторы,в большинстве которых р—n-переход образуется под точечнымконтактом. Это обеспечивает малое значение ёмкости Св (рис. 3),а специфическое, как и у всех СВЧ диодов, конструктивное оформлениеобеспечивает малые значения паразитных индуктивности Lk и ёмкости Ски возможность монтажа диода в волноводных системах.   При подаче на р—n-переход обратного смещения, непревышающего U*обр,он ведёт себя как высокодобротный конденсатор, у которого ёмкость Свзависит от величины приложенного напряжения. Это свойство используют в варикапах, применяемых преимущественнодля электронной перестройки резонансной частоты колебательных контуров, в параметрическихполупроводниковых диодах, служащих для усиления СВЧколебаний, в варикапах и множительных диодах, служащих для умножения частотыколебаний в диапазоне СВЧ. В этих Полупроводниковыйдиод стремятся уменьшить величину сопротивления rб(основной источник активных потерь энергии) и усилить зависимость ёмкости Свот напряжения Uo6p.   У р—n-перехода на основе очень низкоомного(вырожденного) полупроводника область, обеднённая носителями заряда,оказывается очень тонкой (~ 10-2мкм), и для неёстановится существенным туннельный механизм перехода электронов и дырок черезпотенциальный барьер (см. Туннельный эффект). На этом свойстве основана работа туннельного диода, применяемого в сверхбыстродействующихимпульсных устройствах (например, мультивибраторах, триггерах), в усилителях и генераторах колебаний СВЧ, а также обращенногодиода, применяемого в качестве детектора слабых сигналов и смесителя СВЧколебаний. Их ВАХ (рис. 4) существенно отличаются от ВАХ других Полупроводниковый диод как наличиемучастка с «отрицательной проводимостью», ярко выраженной у туннельного диода,так и высокой проводимостью при нулевом напряжении.   К полупроводниковый диодотносят также ПП приборы с двумя выводами, имеющие неуправляемую четырёхслойнуюр—n—р—n-структуру и называют динисторами(см. Тиристор), а также приборы, использующие объёмный эффект доменнойнеустойчивости в ПП структурах без р—n-перехода— Ганна диоды. В Полупроводниковый диод используют идр. разновидности ПП структур: контакт металл — полупроводник (см. Шоткиэффект, Шоткидиод)ир—i—n-структуру, характеристики которых во многомсходны с характеристиками р—n-перехода.Свойство р—i—n-структурыизменять свои электрические характеристики под действием излучения используют,в частности, в фотодиодах и детекторах ядерныхизлучений, устроенных т. о., что фотоны или ядерные частицымогут поглощаться в активной области кристалла, непосредственно примыкающей к р—n-переходу, и изменять величинуобратного тока последнего. Эффект излучательной рекомбинации электронов и дырок,проявляющийся в свечении некоторых р—n-переходовпри протекании через них прямого тока, используется в светоизлучающих диодах.К Полупроводниковый диодмогут быть отнесены также и полупроводниковыелазеры.   Большинство Полупроводниковый диодизготавливают, используя планарно-эпитаксиальную технологию (см. Планарная технология), которая позволяет одновременнополучать до нескольких тысяч Полупроводниковыйдиод В качестве полупроводниковыхматериалов для Полупроводниковыйдиод применяют главным образом Si,а также Ge, GaAs

<span Times New Roman";color:#111111;mso-ansi-language:RU; mso-fareast-language:RU;mso-bidi-language:AR-SA">

Выпрямительные диоды

В настоящее время, вкачестве выпрямительных диодов используют твердотельные устройства, онихарактеризуются малыми габаритами, малым падением напряжения и высокойнадежностью. Но во многих публикациях отмечалось, что усилитель, снабженныйвыпрямителем на твердотельных диодах, звучит хуже, чем этот же усилитель с выпрямителемна вакуумных диодах.

Одной из причин этогоявляется возникновение высокочастотных колебаний с широким спектром во времяпроцесса запирания диода при смене на нем полярности приложенного напряжения.

Упрощенно, неуглубляясь в физику работы полупроводникового диода (процессы коммутации диодомтока весьма сложны), механизм возникновения помех объясняется протеканием черездиод обратного тока и резким его прерыванием в момент запирания.

На рисунке 7 показанавременная диаграмма тока, текущего через диод при его запирании.

При протекании черездиод прямого тока (диод открыт) в области базы происходит накопление избыточныхзарядов. По мере уменьшения разности потенциалов на выводах диода ток черезнего уменьшается и в точке А становится равным нулю. Но диод еще не заперся, ипри смене полярности на его электродах через диод будет протекать реверсныйток, рассасывающий избыточный заряд в области базы, падение напряжения на диодеприблизительно равно прямому падению. Когда базовый заряд станет равным нулю,прямое напряжение на диоде резко изменяется на обратное. Этот момент запираниядиода соответствует точке В на диаграмме. Как видно из диаграммы, процессустановления обратного сопротивления происходит очень быстро (~0.3 µS) исопровождается прерыванием тока, что и вызывает возникновение паразитныхколебаний.

<img src="/cache/referats/27714/image001.gif" v:shapes="_x0000_i1025">

<img src="/cache/referats/27714/image002.gif" v:shapes="_x0000_i1026">

Рисунок 1

Рисунок 2

Амплитуда реверсноготока существенно зависит от избыточного заряда базы, который, в свою очередь,зависит от величины прямого тока через диод и конструктивных параметров диода,связанных с площадью кристалла [2]. Поэтому, часто встречающаяся в литературе рекомендацияиспользовать для выпрямителя мощные низкочастотные диоды совершенно справедливаи позволяет уменьшить паразитные колебания. Это происходит за счет сниженияизбыточного заряда базы, то есть снижения амплитуды реверсного тока и болеемедленного процесса восстановления обратного сопротивления. Однако, используямощные, низкочастотные полупроводниковые диоды следует учитывать, что они имеюточень большую барьерную емкость, которая может, как уменьшить величинупаразитных колебаний, так и привести к их возрастанию. Характер ее влияниязависит как от режима работы диода, так и от цепей, к которым он подключен.

Существует еще одинспособ демпфирования паразитных колебаний, очень часто использующийся вимпульсных преобразователях. Это шунтирование диода демпфирующей RC цепью(рисунок 8), обеспечивающей подавление паразитных колебаний и их быстроезатухание. Точный расчет значений R и C довольно сложен, величина C, лежит впределах 100 ÷ 10000 pF, R – 10 ÷ 100Ом. Чем меньше величина выпрямленного напряжения, тем больше величина C именьше R.

Для источников питанияламповых усилителей средней мощности в качестве выпрямительных диодовцелесообразно использовать вакуумные диоды.

Их основнымпреимуществом является отсутствие эффекта протекания реверсного тока [4], чтообеспечивает полное отсутствие паразитных колебаний в моменты коммутации тока.Высокое динамическое сопротивление вакуумного диода, которое часто определяетсякак его недостаток, в нашем случае, становится достоинством, так как эффективнодемпфирует импульсы тока, потребляемого емкостным фильтром. Возможно, именноразличием динамических сопротивлений можно объяснить некоторое различие взвучании усилителя с разными типами вакуумных диодов.

Если Вы используететвердотельные диоды, то при небольших выпрямленных токах и высоких напряженияхцелесообразно включить последовательно с каждым из них активное сопротивлениевеличиной 30 ÷ 100 Ом. Это не только уменьшит амплитуду импульсапотребляемого тока, но и существенно улучшит режим коммутации диода, естественноценой этому будет снижение КПД.

Еще одним достоинствомвакуумного диода является очень маленькая (4 ÷ 6 pF)и практически независимая от обратного напряжения проходная емкость.

Также немаловажнымфактором является плавное нарастание анодного напряжения при включении схемы.

Недавно появившиесявысоковольтные диоды на основе карбида кремния [5] обладают временемвосстановления обратного сопротивления равным нулю, и по этому параметрусравнялись с вакуумными диодами. Возможно, это поставит точку в затянувшемсяспоре, какой тип лучше использовать в высоковольтных выпрямителях аудиоаппаратуры, но пока нет какой- либо информации об использовании этого типадиодов в аудио аппаратуре и влиянии их на качество звука.

Пример научного исследования оптимизации и повышения мощности в одномодовом режиме генерации для лазерных диодовмезаполосковой конструкции, выполненныхна основе квантово-размерных InGaAsP/InP-гетероструктурраздельного ограничения.

В предыдущем пункте было немного сказано одиодах, выполненных на основе квантово-размерных InGaAsP/InP-гетероструктур раздельногоограничения. Группа ученных провела ислледование, сязаное с повышением качества работы этих диодов.

Экспериментально и аналитически исследованывозможности достижения максимальной оптической мощности излучения водномодовом режиме генерации для лазерных диодов мезаполосковой конструкции, выполненныхна основе квантово-размерных InGaAsP/InP-гетероструктурраздельного ограничения.

Показано, что основным требованиемобеспечения одномодового режима работы в широкомдиапазоне токов накачки для лазерных диодов является точный выбор значенийскачка эффективного показателя преломления AnLв плоскости, параллельнойр-nпереходу.

Методом МОС-гидриднойэпитаксии разработана InGaAsP/InP-гетероструктурараздельного ограничения со ступенчатым волноводом с пороговойплотностью тока 180 А/см2 и внутренним квантовым выходом стимулированногоизлучения 93-99%.

Проведена оптимизация мезаполосковойконструкции лазерного диода для разработанной InGaAsP/InP-ге-тероструктуры,с целью достижения максимальной оптической мощности в одномодовом режимегенерации.

Достигнута выходная непрерывная мощностьизлучения 185 мВт при одномодовом режиме работы лазерного диода сшириной мезаполоска W= 4.5мкм (2 = 1480 нм), максимальная непрерывная мощность составила300 мВт. Полуширина излучения параллельного дальнего поля возросла на 1°относительно пороговогозначения.

1.   Введение

В последнее время резко возрос интерес к мощ­ным лазерным диодам,излучающим в диапазоне длин волн 1300-1600 нм в нулевой продольнойоптической моде. В первую очередь это связано с их применени­ем вволоконно-оптических линиях связи, в качестве источников накачкиволоконно-оптических усилителей, легированныхEr3+, ирамановских волоконных усилите­лей в диапазоне длин волн1400-1500 нм [1]. Для таких применений лазерных диодов необходимыпостоянная выходная рабочая мощность на уровне сотен милли­ватт, точная пиковаядлина волны излучения, высокая излучательнаяэффективность лазерного диода и эф­фективность ввода в одномодовоеоптическое волокно. Все эти требования необходимо учитывать в разработке одномодовых лазерных диодов.

До настоящего момента в мире лишь несколько компаний (FurukawaElectric, JDS-Uniphase, PrincetonLightwave) заявили о достиженииболее 300 мВт макси­мальной выходнойоптической непрерывной мощности в одномодовом режиме [2–4]. При этомосновным крите­рием одномодовости являлось сохранениеполуширины и формы поля в дальней зоне излучения, начиная с порога генерации ивыше. В связи с этим достижение значениймаксимальной выходной мощности одномодо-вого излучения в непрерывнымрежиме генерации более чем 300 мВт (комнатная температура) для лазерных диодов,излучающих в диапазоне длин волн 1.3-1.6 мкм, являетсяактуальной задачей.

Цель данной работы состояла в исследовании, раз­работке иизготовлении мощных одномодовых лазеров на основе квантово-размерных InGaAsP/InP-гетерострук-тур, излучающих в диапазоне длин волн 1300-1600нм.

Разработка конструкции и изготовление одномодовых лазерных диодов, т.е. диодов, излучающих нанулевой поперечнойоптической моде, представляет комплекс­ную задачу. Для ее решения необходимовыполнение многих требований. Во-первых, это использование тща­тельно проработанного дизайна лазерной гетерострукту-ры,обеспечивающего минимальные значения внутрен­них оптических потерь (аг), напряжения отсечки (Uc) имаксимального внутреннего квантового выхода стиму­лированного излучения (д). Как показали наши преды­дущие исследования [5,6], квантово-размерная двойная гетероструктура раздельного ограничения (КР РО ДГС) InGaAsP/InPявляется оптимальной для достижения мак­симальнойоптической мощности излучения лазерного диодас одиночной апертурой (Я = 1.3 -1.6 мкм). Ис­пользованиеступенчатого волновода в КР РО ДГС InGaAsP/InPпозволяет достичь близких к 100% значе­ний внутреннего квантового выходастимулированного излучения. Это связано с уменьшением компоненты тока утечекэлектронов за порогом, обусловленной уходом носителей из области квантовой ямык гетерогранице волновода с /-эмиттером [6,7].

КР двойные гетероструктурыраздельного ограниче­ния InGaAsP/InP, схематическое изображение типичной зонной диаграммы которых приведено на рис. 1,изготав­ливались методом МОС-гидриднойэпитаксии [8]. <img src="/cache/referats/27714/image004.jpg" v:shapes="_x0000_i1027">

Рис.1. Схематическая энергетическая зонная диаграмма квантово-размернойгетероструктуры раздельного ограничения InGaAsP/InP(сплошная линия),расчетные профили легирова­ния для донорной примесикремния (пунктирная) и акцептор­ной примеси цинка (штрих-пунктирная).

Гетероструктуры состоялииз широкозонных, сильно легиро­ванныхэмиттеров, роль которых играли слои п — и/?-InP; ступенчатого волновода, выполненногона основе чет­верных твердых растворов In-Ga-As-P(Е w1= 1.03 эВ, Е w2= 1.24 эВ) с общейтолщиной 0.65 мкм; активной области, образованной двумя напряженными InGaAsP-квантовыми ямами (cIqW— <st1:metricconverter ProductID=«65 A» w:st=«on»>65 A</st1:metricconverter>) с InGaAsP-барьерным слоем между ними (Е ъ = 1.03 эВ, db= <st1:metricconverter ProductID=«200 A» w:st=«on»>200 A</st1:metricconverter>).В верх­нем /?-InP-эмиттере выращивался стоп-слой InGaAsPтолщиной <st1:metricconverter ProductID=«70 A» w:st=«on»>70 A</st1:metricconverter>, который служилдля остановки хими­ческого травления гетероструктурыпри изготовлении мезаполосковой конструкции лазерного диода.

Второй основной задачей для достижения режима работы лазерного диода на фундаментальнойоптической моде является выбор его конструкции, обеспечивающейвозможность формирования волновода в плоскости, па­раллельной р-^-переходу. Из всего многообразия кон­струкцийлазерных диодов наиболее эффективными для достижения волноводного эффекта вгоризонтальном направлении являются мезаполосковаяконструкция и конструкция „зарощенная меза“ [2,3]. Мезаполосковая конструкция лазерного диодаотличается своей надеж­ностью, простотойизготовления и малыми дополнитель­ными внутренними потерями, вносимыми приформиро­вании мезаполоска [9]. Одно изпреимуществ зарощен-нойконструкции — это возможность достижения сверх­низкихпороговых токов и лучшие частотные характери­стики [2]. Однако еесерьезным недостатком являются технологические трудности, связанные спрактической реализацией [2]. Это в основном и предопределило наш выбор впользу мезаполосковой конструкции.

Формированиегоризонтального волновода в плоско­сти,параллельной р-/7-переходу лазерной гетерострук­туры,достигается за счет создания скачка эффектив­ного показателя преломления AnLмежду активной ипассивной областями мезаполоска. Для обеспечения од-номодовогорежима работы лазерного диода необходимо выбратьвполне определенное значение AnL. В мезапо­лосковой конструкции лазерного диода на основе КРРО ДГС AnLвосновном зависит от следующих параметров: длины волны излучения (Я), ширины мезаполоскового контакта (W), глубины травления (Ah), толщины (Dw) иширины запрещенной зоны (Е™) волноводных слоев. Концентрация свободныхносителей в слоях гетеро­структуры и реальнаятемпература в области активного слоя также влияют на значение AnL.

Расчет профиля эффективного показателя прелом­ления AnLв мезаполосковойконструкции лазерного диода на основе КР РО ДГС InGaAsP/InPвыпол­нялся с помощью модели пассивноговолновода [10]. В основании используемоймодели лежит представление волноводных свойств в горизонтальномнаправлении через эффективные показатели преломления отдельно активной ипассивных областей лазера мезаполосковой конструкции. Расчет проводился дляразных значений параметров Я, Е™, Dwи ДА гетероструктуры. Условия сохранения оптимальныхзначений параметров г, atи Ucгетеро структуры также учитывались в расчетах. На рис. 2приведена одна из полученных расчетных зависи­мостей ширины меза-полоска,соответствующей условию одномодовойотсечки, от величины перепада эффектив­ногопоказателя преломления для выбранного дизайна лазерной гетеро структуры (Я =1480 нм) (рис. 1).

<img src="/cache/referats/27714/image006.jpg" v:shapes="_x0000_i1029">

Рис. 2. Расчетная зависимость ширины мезаполоска Wот скачка эффективного показателя преломления Aweff, соответ­ствующего условию отсечки первой моды.

На основании проведенных вычислений из вы­ращенной гетероструктуры партия (КР 1439-1), зон­ная диаграммакоторой приведена на рис. 1, были изготовлены гетеролазерымезаполосковой конструк­ции со следующими параметрами: W= 4.5мкм и AnL= (3.8-4.5)• 10-3.

Для формирования мезаполоска наносилась маска из фоторезиста,через которую проводилось химическоетравление [11]. В процессе травления по обе стороны от мезаполоскавытравливались канавки, глубина которых определялась положением стоп-слоя, сформированногов процессе роста в p-InP-эмиттере.

Для достижения максимальной выходной мощности лазерного диоданеобходимо стремиться к увеличению ширины мезаполоска,что позволяет снизить плотность оптической мощности на выходном зеркале, азначит, повысить величину рабочего тока. Однако поскольку максимальная ширина мезаполоскаWmaxодномодовыхлазеровопределяется также эффективностью ввода из­лучения в одномодовоеволокно, верхний предел был выбран Wmax= 5мкм.

<img src="/cache/referats/27714/image008.jpg" v:shapes="_x0000_s1030">

Рис. 3. Ватт-ампернаяхарактеристика внепрерывном ре­жиме генерации с температурой теплоотвода20◦C во всем диапазоне токов накачки для лазерныхдиодов: a— партии КР1439-1 сдлиной резонатора L = 1000 мкм, с естественными зеркалами на граняхрезонатора; b— партии КР1439-2 сдлиной резонатора L = 1500 мкм, с высокоотражающим(95%) и низкоотражающим (5%) покрытием на граняхрезонатора.

2.   Экспериментальные результаты

Все изготовленные лазерные гетероструктурымеза-полосковой конструкции раскалывались наотдельные лазерные чипы с длиной резонатора L= 0.3-3мм, ко­торые напаивались на медные теплоотводыполосковым контактом вниз с помощью индиевого припоя.

Типичная ватт-амперная характеристикапри непре­рывном режиме накачки лазерных диодов, изготовлен­ных на основе гетероструктуры партии КР1439-1, изоб­ражена на рис. 3,a.Видно, что уже при достаточно малых плотностях тока накачки происходит срыв ватт-амперной характеристики. Важно отметить, что этот срывгенерации имеет обратимый характер гистерезис-ноготипа и, естественно, не связан с катастрофической оптической деградациейзеркал. Наблюдаемый эффект объясняется тем, что результаты расчетов,приведенные на рис. 2, в полной мере не отражают всех процессов, происходящих вреальных приборах. Так, известно, что увеличение концентрации свободныхносителей заряда понижает коэффициент преломления полупроводнико­вого материала[12]. Таким образом, с увеличением тока инжекции вплоть до порогового значения Ithпа­дает коэффициентпреломления активной области за счет накопления инжектированных носителей вобласти квантовых ям до величины пороговых концентраций nthи pth. Дальнейшее увеличениетока накачки приводит к повышениюконцентрации свободных носителей в волноводных слоях, что вызвано какпроцессом инжек­ции, так и выбросом электронов из квантовой ямы в барьерные слои [7,13]. Суммарный вкладинжектирован­ных носителей в пределе может привести к коллапсувстроенного волновода или образованию антиволново­да[14]. Срыв генерации наблюдался нами практически у всех лазерных диодов, изготовленных из гетероструктурпартии КР 1439-1. Зависимость значений плотности тока накачки, прикоторых происходил срыв генерации, от длины резонатора лазерного диода имеет сублинейный характер.Данный факт может быть связан с нелинейным характером поведениязависимости пороговой концен­трации носителей заряда от суммарных потерь [15].

В связи с тем что кпд лазерного диода не 100%, часть мощностирассеивается в виде тепла, что ведет к повышению температуры рабочей областилазерного диода. Величина перегр

www.ronl.ru

Смотрите также

• 
  Реферат екатерина фото
• 
  Реферат машина строение
• 
  Каролингская империя реферат
• 
  Меркантилизм ранний реферат
• 
  Реферат лактазная недостаточность
• 
  Эдит пиаф реферат
• 
  Реферат гипатия александрийская
• 
  Экология таджикистана реферат
• 
  Чингис хан реферат
• 
  Черная сопка реферат
• 
  Черепаха красноухая реферат