Ступенчатый восстанавливающий диод

Сигнал гребенчатого генератора частоты SRD (HP 33003A)

Символ цепи

В электронике — диод ступенчатого восстановления ( SRD, защелкивающийся диод или диод накопления заряда или памяти ). варактор ) — полупроводниковый переходной диод , способный генерировать чрезвычайно короткие импульсы. Он имеет множество применений в СВЧ- электронике (диапазон от МГц до ГГц) в качестве генератора импульсов или параметрического усилителя .

Когда диоды переключаются с прямой проводимости на обратную отсечку, на короткое время протекает обратный ток по мере удаления накопленного заряда. Резкость, с которой этот обратный ток прекращается, характеризует диод со ступенчатым восстановлением.

Историческая справка

Первая опубликованная статья по SRD ( Boff, Moll & Shen 1960 ): авторы начинают краткий обзор с утверждения, что «характеристики восстановления некоторых типов диодов с pn-переходом демонстрируют разрыв, который можно использовать с пользой для генерации гармоник или для производства миллимикросекундных импульсов». Они также отмечают, что впервые наблюдали это явление в феврале 1959 года.

Эксплуатация SRD

Физические принципы

Основным явлением, используемым в SRD, является накопление электрического заряда при прямой проводимости , которое присутствует во всех полупроводниковых диодах и обусловлено конечным временем жизни неосновных носителей носителей в полупроводниках . Предположим, что SRD смещен в прямом направлении и находится в установившемся состоянии, т. е. анодный ток смещения не меняется со временем: поскольку перенос заряда в переходном диоде происходит в основном за счет диффузии, т. е. непостоянной пространственной плотности носителей заряда, вызванной напряжением смещения, a заряд Q _s сохраняется в устройстве. Этот накопленный заряд зависит от

1. Интенсивность прямого анодного тока I _А, протекающего в устройстве в установившемся режиме.
2. Время жизни неосновных носителей заряда τ , т.е. среднее время, в течение которого свободный носитель заряда перемещается внутри полупроводниковой области до рекомбинации .

Количественно, если стационарное состояние прямой проводимости длится в течение времени, значительно большего, чем τ , накопленный заряд имеет следующее приближенное выражение

$Q_{S}\cong I_{A}\cdot \tau$

Теперь предположим, что напряжение смещения резко меняется, переключаясь со своего стационарного положительного значения на более высокое постоянное отрицательное значение: тогда, поскольку определенное количество заряда было накоплено во время прямой проводимости, сопротивление диода все еще низкое ( т.е. сопротивление анода к катодное напряжение V _AK имеет почти такое же значение прямой проводимости ). Анодный ток не прекращается, а меняет свою полярность (т.е. направление своего течения) на противоположную, и накопленный заряд Q _s начинает вытекать из устройства с почти постоянной скоростью I _R . Таким образом, весь накопленный заряд удаляется за определенное время: это время представляет собой время хранения t _S и его приблизительное выражение:

$t_{S}\cong {\frac {Q_{S}}{I_{R}}}$

Когда весь накопленный заряд удален, сопротивление диода внезапно изменяется, увеличиваясь до значения отсечки при обратном смещении в течение времени t _Tr , времени перехода : такое поведение можно использовать для создания импульсов со временем нарастания, равным этому времени.

Работа восстановительного диода с дрейфовым шагом

Диод с дрейфовым восстановлением (ДСВД) был открыт российскими учеными в 1981 году ( Грехов и др., 1981). Принцип работы DSRD аналогичен SRD, с одним существенным отличием — ток прямой накачки должен быть импульсным, а не непрерывным, поскольку дрейфовые диоды работают с медленными несущими.

Принцип работы DSRD можно объяснить следующим образом: короткий импульс тока подается в прямом направлении DSRD, эффективно «накачивая» PN-переход или, другими словами, «заряжая» PN-переход емкостно. Когда направление тока меняется на противоположное, накопленные заряды удаляются из базовой области.

Как только накопленный заряд уменьшится до нуля, диод быстро откроется. Всплеск высокого напряжения может появиться из-за самоиндукции диодной цепи.Чем больше ток коммутации и чем короче переход от прямой проводимости к обратной, тем выше амплитуда импульса и эффективность генератора импульсов (Кардо-Сысоев и др., 1997).

Использование

• Генераторы гармоник
  • Местные генераторы
  • Генератор, управляемый напряжением
  • синтезаторы частот
  • Умножитель частоты
• Генератор гребенки
• Выборочный фазовый детектор

См. также

• Миноритарный перевозчик
• Пн переход
• Генератор импульсов
• Полупроводниковый диод

Ссылки

• Бофф, А.Ф.; Молл, Дж.; Шен, Р. (февраль 1960 г.), «Новый высокоскоростной эффект в твердотельных диодах», Международная конференция IEEE по твердотельным схемам, 1960 г. Сборник технических статей. , Международная конференция по твердотельным схемам IRE, том. III, Нью-Йорк: IEEE Press, стр. 50–51, doi : 10.1109/ISSCC.1960.1157249 . Первая статья о SRD: интересная, но « доступ ограничен ».

Следующие две книги содержат всесторонний анализ теории неравновесного переноса заряда в полупроводниковых диодах , а также дают обзор приложений (по крайней мере, до конца семидесятых годов).

• Носов, Юрий Романович (1969), Переключение в полупроводниковых диодах , Монографии по физике полупроводников, вып. 4, Нью-Йорк : Пленум Пресс .
• Тхорик, Юрий Александрович (1968), Переходные процессы в импульсных полупроводниковых диодах , Иерусалим : Израильская программа научных переводов, Ltd.

Следующие указания по применению подробно посвящены практическим схемам и приложениям, использующим SRD.

• Генерация импульсов и сигналов с помощью диодов с пошаговым восстановлением (PDF) , Замечания по применению AN 918, Пало-Альто : Hewlett-Packard , октябрь 1984 г. Доступно на сайте Hewlett-Packard HPRFhelp .

Внешние ссылки

• Тан, Майкл Р.; Ван, С.Ю.; Марс, Делавэр; Молл, Дж.Л. (31 декабря 1991 г.), GaAs-диод с двойной гетероструктурой и ступенчатым восстановлением, 12 пс , Технические отчеты HP Labs, vol. HPL-91-187, Пало-Альто : Hewlett-Packard . Интересная статья, описывающая конструкцию и сообщающая об измеренных характеристиках чрезвычайно быстрого SRD на гетеропереходе .
• Киркби, Дэвид (апрель 1999 г.), «Глава 5. Генераторы импульсов» (PDF) , Пикосекундный оптоэлектронный перекрестный коррелятор с использованием лавинного фотодиода с модулированным усилением для измерения импульсного отклика ткани (PDF) , заархивировано из оригинала (PDF) в 2012 г. -02-06 . Это кандидатская диссертация, в которой SRD является ключевым элементом . Глава 5 особенно актуальна.