Изучение поведения диодов в импульсном режиме

Лекция 1

Введение.

Лекции по электронным приборам ядерной физики посвящены следующим разделам:

а.  Цифровые логические элементы

б.  Преобразователи аналоговых сигналов в цифровую форму и обратно.

в.  Преобразование  аналоговых сигналов при прохождении через нелинейные цепи.

Эти разделы будут кратко охватывать основные элементы и методы, используемые для построения радиоэлектронных систем различных устройств ядерной физики и электрофизических устройств.

Необходимость представления аналоговых сигналов в цифровую форму и обратно связано в первую очередь с использованием ЭВМ для управления и контроля электрофизическими установками, которые принимают и обрабатывают поступающую информацию, представленную в цифровой форме. Число каналов контроля и управления в современных установках может быть велико. Так, например, накопитель электронов ВЭПП-3 содержит около 200 каналов измерения температуры, около 100 источников тока различной величины (от 1 А до 10 кА) и точности (от 1% (10 ^{– 2} ) до 0.01%(10 ^{– 4} )).

Много аппаратуры другого функционального назначения: импульсные элементы, синхронизируемые с различной точностью по времени от единиц микросекунд до долей наносекунды.

Современный детектор частиц ускорителя содержит несколько тысяч каналов, предназначенных для регистрации импульсов проволочных камер, определяющих координаты частиц. Временные характеристики процессов, происходящих в установках разнообразны. Некоторые процессы имеют характерные времена секундные (переходные процессы в магнитной системе накопителя), некоторые миллисекундные  - токи в импульсных электромагнитах), микросекундные и наносекундные (периоды обращения пучков частиц, точности синхронизации элементов каналов транспортировки частиц, регистрация элементарных частиц).

В настоящее время существуют методы преобразования практически всех сигналов в цифровую форму и обратно, формирование сигналов в аналоговом виде по цифровой информации. Первые позволяют обрабатывать результаты измерений в ЭВМ и автоматизировать процедуру получения различных характеристик процессов. Наличие средств преобразования цифровой информации в аналоговую  позволяет использовать ЭВМ для управления электрофизическими установками по любым, довольно сложным законам. Причем управление может распространяться на большое количество каналов. Так, на канале перепуска частиц из Б-4 в ВЭПП-3, работающего с частотой 1 Гц, производится ежесекундное преобразование информации с нескольких десятков датчиков с последующим ее накоплением и анализом.

Изучение принципов построения отдельных узлов аппаратуры начнём с рассмотрения цифровых (логических схем). Изучение этих схем, в свою очередь, начнем с изучения поведения диодов и транзисторов в импульсном режиме.

РАБОТА ДИОДА В КЛЮЧЕВОМ РЕЖИМЕ.

Статическая характеристика достаточно точно описывается зависимостью: ,  при условии, что I < I макс./10.   Здесь I_S – тепловой ток диода. Для кремниевых диодов I_S = (10^-9 – 10^-13) А,    в зависимости от типа кремниевого диода может быть (25 – 50) мВ.  При токах I > I макс./10 экспонента превращается в линейную зависимость. Это связано с влиянием омического сопротивления выводов диода, объёмного сопротивления кристалла.

Зависимость Vд от температуры определяется j _t. При постоянном прямом токе порядка микроампер dVд/dT ~ - 3 мВ/град, при увеличении тока зависимость эта уменьшается и при токах ~ 0.1 Iмакс

dVд/dT ~ - 1.5 мВ/град. При больших токах dVд/dT может стать равной нулю из – за влияния положительного ТКС полупроводника.

Обратный ток диода  , где DT = (T – T₀).

a_Si = 0.13  1/град, a_Ge = 0.09  1/град, т.е. для кремниевых диодов при повышении температуры на 10°С обратный ток увеличивается ~ в 3 раза, для германиевых ~ в 2 раза.

При рассмотрении вольт – амперной характеристики в динамическом режиме нужно учитывать инерционные процессы, происходящие в диоде.

При отпирании диода прямое сопротивление устанавливается не сразу, а через некоторое время установления t_уст. Отличие прямого напряжения на диоде в импульсе и в статическом режиме объясняется тем, что для получения полной проводимости в диоде в течение некоторого времени накапливается заряд в объёме полупроводника, прилегающего к переходу. Чем больший накапливается заряд, тем больше время установления t_уст. Это время определяют как длительность интервала между моментом включения и моментам, когда прямое напряжение на диоде уменьшается до величины 1.1 V_{пр стат}. Этот эффект особенно заметен у силовых диодов.

Инерционные процессы, происходящие в диоде, определяются величиной накопленного заряда неосновных носителей в базе диода. Изменение накопленного заряда описывается дифференциальным уравнением:

              (1)

Здесь Q_н – накопленный заряд неосновных носителей в базе диода, t_н – постоянная времени накопления заряда, иногда ее называют временем жизни носителей.   I_пр – прямой ток диода.  Для начальных условий: t = 0, Q_н = 0, включения I_пр = I₀.

,       при  t , .

Запирание диода

Эффект накопления неосновных носителей обнаруживается при подаче на открытый диод обратного напряжения. В течение некоторого времени t_восст = t_ + t₂  диод проводит ток в обратном направлении. Это состояние длится до тех пор, пока неосновные носители не удалятся из области базы. Этот процесс происходит по двум путям:

1.  рекомбинация носителей в области базы,

2.  переход неосновных носителей из области базы в область эмиттера через переход под действием приложенного обратного напряжения.

        Возвращенный заряд называется иногда зарядом переключения Q_пк. Решая дифференциальное уравнение (1) для случая:

t = 0, Q_н = Q₀, I_пр = - I₀, можно вычислить время t₁, за которое накопленный заряд уменьшается до нуля.

Для случая, когда I₀ >> Q₀/t_н,   . Это значит, что рекомбинацией при запирании диода можно пренебречь.

В справочниках дается для высокочастотных диодов t_н , или заряд переключения при заданном прямом ток

Например, для диода КД521А: Iпр = 50 мА. Qн = 400 пкул. Отсюда можно рассчитать постоянную времени накопления заряда

t_н  = Q_н / I_пр =  400 ∙ 10 ^–12/50 ∙ 10 ^–3 = 8 ∙ 10 ^–9 сек.

Длительность второй фазы восстановления диода t₂ зависит от величины барьерной емкости, которую нужно зарядить током I_обр. Эта емкость зависит от величины обратного напряжение диода, поэтому имеется в виду дифференциальная емкость С_дифф  = dQ/dV. Для большинства диодов эта емкость выражается формулой:  , где Dj ~ 0.75в для кремниевых диодов, С₀ – константа. В большинстве случаев для расчета величины t₂ можно с достаточной точностью пользоваться величиной емкости диода, которая дается в справочниках.

СПЕЦИАЛЬНЫЕ ТИПЫ ДИОДОВ

Для диодов с накоплением заряда (ДНЗ) характерны большое время жизни носителей (50 – 100) нсек  и малая барьерная емкость (0.5 – 2) пф, в результате чего t₁ может быть значительно больше t₂. Эти диоды применяются в

а) в схемах задержки импульсов в наносекундном диапазоне,

б) в обострителях фронта импульса,

в) в умножителях частоты СВЧ сигналов

Диоды Шоттки изготавливаются главным образом на основе кремния. Выпрямляющий переход у них образован металлом и полупроводником. Диоды этого типа имеют j _t =25 мВ , однако величина I_S у них значительно больше, чем у обычных кремниевых диодов с p-n  переходом, поэтому вольт-амперная характеристика диодов Шоттки смещена влево. При прямом токе ~ 1 мА напряжение на диоде ~ 0.4В против ~0.7 в для обычных кремниевых диодов. Поэтому силовые диоды Шоттки имеют преимущество при использовании в низковольтных выпрямителях (больший КПД).

Кроме того, диоды Шоттки имеют очень малое время жизни носителей (~ 0.1 нсек для ВЧ диодов) и, как следствие, малое время восстановления обратного сопротивления и поэтому используются в высокочастотных импульсных схемах и СВЧ детекторах. К сожалению, максимально допустимое обратное напряжение диодов не превышает нескольких десятков вольт, что ограничивает их применение.

Варикапы – это диоды, у которых используется зависимость барьерной емкости от обратного напряжения. Такие диоды используются в перестраиваемых ВЧ генераторах и фильтрах в диапазоне частот от сотен килогерц до десятков гигагерц, в  параметрических усилителях в СВЧ диапазоне.

Параметры варикапов:

а.  Коэффициент перекрытия по емкости

Кперекр. =  =  (4 10)

Эквивалентная схема варикапа:

С – емкость варикапа, изменяющаяся при изменении обратного напряжения на варикапе.

 r – объёмное сопротивление полупроводника кристалла, сопротивление выводов. Это сопротивление слабо зависит от обратного напряжения на варикапе.

Граничная частота варикапа – это частота, на которой модуль сопротивления емкости C равен сопротивлению R,  т.е.  Fгран = 1/(2p∙ r ∙ C). Добротность варикапа Q на этой частоте равна 1.

Часто в справочнике дается значение добротности варикапа при заданном обратном напряжении и частоте f₀. При этом по графику находят значение емкости варикапа C для заданного обратного напряжения и далее можно вычислить сопротивление r:       r = 1/( 2p ∙ f₀ ∙ C ∙ Q).