Практически каждый, кто знаком с радио- и электротехникой слышал такое выражение, как сверхбыстрый диод (как вариант - ультрабыстрый, сверхсуперультрабыстрый и т.п.). Но почему-то очень многие и даже те, кто их использует, считают этот полупроводниковый прибор, который называется диодом с резким восстановлением (ДРВ, англ. step recovery diode, SRD), диодом Шоттки. Действительно эти два типа полупроводников родственники? В этой статье мы попробуем разобраться в этом вопросе.
Принцип работы
Основой ДВР является p-n структура, обладающая свойствами полупроводника. Конструктивно прибор состоит из двух областей p- и n-. Первая является анодом и носителями заряда в ней служат дырки. У второй области – катода – носителями служат электроны. Области вплотную прилегают друг к другу, и между ними образуется так называемый p-n переход.
Тип проводимости определяет вид примесей в полупроводнике. При добавлении донорных примесей, к примеру, пятивалентного мышьяка, мы получим p- область, акцепторных (обычно трехвалентный индий) – n- область.
Пока разности потенциалов между анодом и катодом нет, дырки и электроны располагаются каждый на своей половине «поля».
Если подать на прибор прямое напряжение – на анод плюс, на катод минус, - то дырки и электроны «побегут» друг к другу, займут все «игровое поле» и станут активно рекомбинировать. Электроны начнут занимать дырки, освобождая в свою очередь новые и т.д. Через диод потечет ток.
Приложенное к электродам полупроводника напряжение должно превышать определенное значение, называемое напряжением открывания диода. Только в этом случае через p-n переход начнет течь ток. Для кремниевых полупроводников это напряжение составляет порядка 0.7, а для германиевых около 0.3 В.
Быстро сменим полярность подключения источника питания. Теперь дырки и электроны, сталкиваясь лбами, устремятся каждый в свою область. Как только все «разбегутся» по своим территориям, ток через полупроводник прекратится.
Естественно, на это нужно время и энергия. Поэтому сразу же после обратного включения ток начнет течь в обратном направлении время, необходимое для «наведения порядка» в областях. Это время называют временем запирания или временем восстановления. Чем оно меньше, тем выше быстродействие диода.
Если не принимать специальных мер, то по вышеописанной технологии мы получим обычный диод с относительно большим временем восстановления. Чтобы уменьшить время восстановления и получить «свехультрабыстрый» прибор, используют ряд технологических приемов, уменьшающих время жизни неосновных зарядов и метод переноса дырок и электронов из области в область.
Полезно! В качестве примера можно взять так называемые дрейфовые ДРВ, в которых электроны и дырки в полупроводниковых областях за счет специальных присадок в полупроводник переносятся посредством дрейфа, а не некоей комбинации дрейфа и диффузии, как в обычных p-n переходах.
Приемы это в основном сводятся к легированию областей специально подобранными материалами и по специальным профилям, а также подбором подходящего времени жизни неосновных зарядов и других параметров структуры и режима.
ДРВ – не Шоттки!
Итак, мы выяснили, что по своей структуре и принципу работы ДВР больше напоминает обычный диод с p-n переходом (по сути, он им и является) и не имеет никакого отношения к диодам Шоттки. У последних абсолютно иной принцип работы, основанный на свойствах перехода металл-полупроводник и отсутствии неосновных носителей заряда.
На рисунке цифрами обозначены:
- 1 – кремниевая подложка структуры n-;
- 2 – эпитаксиальная пленка;
- 3 – переход металл-полупроводник;
- 4 – слой металла;
- 5 – внешний вывод.
Да и характеристики диодов резкого восстановления совсем не такие, как у Шоттки. К примеру, прямое падение напряжение у ДРВ практически такое же, как у обычных кремниевых p-n, а у Шоттки оно почти на порядок ниже. Далее допустимое обратное напряжение. У ДРВ оно может лежать в достаточно широком диапазоне, в то время как подавляющее большинство диодов с барьером Шоттки низковольтные.
Существуют высоковольтные (до 1 200 В) диоды с барьером Шоттки, но они теряют основное преимущество перед обычными – величина прямого падения напряжения у таких приборов примерно равна величине прямого падения напряжения обычного (тоже высоковольтного) p-n диода.
Еще одно отличие Шоттки от «быстрых» полупроводников – большой обратный ток, увеличивающийся при повышении температуры кристалла, который сильно ограничивает область их применения и требует принятия специальных мер для предотвращения теплового пробоя обратными токами.
Ну а сходство диодов Шоттки с ДРВ лишь в одном – в малом времени их восстановления. Но это совсем не повод путать один тип полупроводников с другим.
