4.3.     Диоды с накопленияем заряда

Распределение концентрации примесей в диодах с накопление заряда  показано на рис. 4.1 а. Переход создается в результате диффузии акцепторной примеси в полупроводник n-типа с равномерной концентрацией донорной примеси N_д. Концентрация акцепторов N_a убывает по экспоненциальному закону и p-n-переход образуется вблизи сечения х₀ , где N_а=N_д. Концентрация дырок в р-области (рис. 4.1 б) определяется разностью N_a — N_д , а электронов в n-области — разностью N_д—N_a. Появление градиентов дырок и электронов вызовет диффузию. В n-области электроны (основные носители) начнут перемещаться из мест с большей концентрацией   в места  с меньшей концентрацией и вызовут нарушение электрической нейтральности. В правой части n-области, откуда ушли электроны, проявится положительный заряд донорных ионов, а в левой части — отрицательный заряд пришедших сюда электронов. Таким образом, в n-области возникает электрическое поле Е_п (см. рис.4.1б). Это поле вызовет в n-области дрейфовый ток электронов, направление которого противоположно диффузионному току. Когда дрейфовый ток станет равен диффузионному, наступает состояние равновесия, характеризуемое определенным значением напряженности электрического поля Е_п в n-области. Такие же процессы происходят в р-области, в которой появится поле с напряженностью Е_р. При подаче на диод прямого напряжения происходит инжекция дырок в n-область и электронов в p-область. Однако в ДНЗ электрическое поле Е_п препятствует диффузии инжектированных дырок вглубь n-области, поэтому они концентрируются (накапливаются) вблизи перехода. Аналогично инжектированные электроны накапливаются в р-области вблизи границы перехода. В отличие от диодов с равномерным распределением акцепторов и доноров, в ДНЗ инжектированные электроны и дырки оказываются «сгруппированными» около границ перехода.

а)
б)

Рис. 4.1 Распределение концентрации: а) примесей; б) дырок в р-области;

При скачкообразном изменении напряжения с прямого на обратное в момент t=0 на рис. 4.2 концентрация ранее инжектированных неосновных носителей на границах перехода должна уменьшиться. Появление градиента концентрации носителей вызовет диффузионное движение этих носителей, которые потом перейдут в другую область, так как электрическое поле в переходе является для неосновных носителей областей р-n-перехода ускоряющим. Появляется большой обратный ток перехода, который ограничивается сопротивлением цепи (горизонтальный участок на рис. 4.2). Для ДНЗ характерно то, что импульс обратного тока резко обрывается в некоторый момент времени t₁, когда хорошо «сгруппированные» около границ перехода неосновные носители заканчивают прохождение перехода. При надлежащем выборе закона распределения примесей в ДНЗ интервал времени от t₁ до t₂, при котором обратный ток достигнет значения 1,2I₀ (I₀ — обратный ток в статическом режиме), может составлять сотни или десятки пикосекунд. Поэтому ДНЗ называют также диодами с резким восстановлением обратного тока или обратного сопротивления.

Рис.4.2. Переходная характеристика диода с накоплением  заряда

 При воздействии на ДНЗ синусоидального напряжения, вызывающего как прямой, так и обратный токи, форма импульсов обратного тока оказывается резко несинусоидальной. Несинусоидальная форма обратного тока обусловливает появление гармонических составляющих высокого порядка с большой амплитудой и возможность эффективного умножения частоты, т.е. спектр периодических импульсов тока содержит много гармоник, поэтому ДНЗ применяются вместо других типов диодов в схемах умножения частоты и позволяют получить больший коэффициент умножения. Пример параметров схемы умножения на ДНЗ: частота входного сигнала 2 ГГц, выходного — 10 ГГц, входная мощность 2 Вт, выходная — 0,15 Вт. На более низких частотах можно получить большую выходную мощность.

Основными требованиями, предъявляемые к диодам с накоплением заряда является малая емкость перехода и минимальное сопротивление базы, для чего площадь перехода и толщину базы выполняют малыми. В диодах с накоплением заряда t_р должно быть достаточно велико, чтобы «удержать» накопленный заряд. Для уменьшения площади перехода до 10^-5 см² в случае работы в наносекундном диапазоне используют меза- или планарно-эпитаксиальную технологию. Следует указать, что эффект резкого восстановления обратного сопротивления в той или иной степени присущ любому полупроводниковому диоду с диффузионным р-n-переходом.