5.6. Лавинные диоды
Лавинным диодом называется диод с контролируемым напряжением лавинообразования.
При воздействии обратного напряжения большего, чем напряжение пробоя происходит резкое возрастание обратного тока. Этот ток распределяется равномерно по поверхности p-n-перехода. Так как этот ток не сосредоточивается в отдельных точках, то не происходит местного теплового пробоя. При этом наступает равномерный лавинный пробой, т.е. электрический разряд через диод. При таком разряде напряжение на диоде поддерживается на прежнем уровне и в p-n-переходе может выделяться энергия, значительно большая, чем в обычных диодах. Таким образом, лавинные диоды способны выдерживать напряжение лавинообразования, вследствие чего перенапряжения прикладываются к другим элементам электрической цепи, менее чувствительным к ним.
Основу лавинного диода составляет кремниевый выпрямительный элемент, заключенный в герметичный корпус. Конструкция лавинного диода – примерно такая же, как у обычного силового диода (рис. 5.2).
На рис. 5.2 цифрами обозначено: 1 – вольфрамовые пластины; 2 – область проводимости p-типа; 3 – защитное (охранное) кольцо; 4 – область проводимости n-типа.
ЭДП изготавливают путем диффузии алюминия, бора и фосфора в кремний по технологии, обеспечивающей однородный состав кремния с равномерным размещением в нем примесей и структурных дефектов (дислокаций), вследствие чего достигается равномерное распределение проводимости по всей площади перехода. При таком выполнении ЭДП с ростом обратного тока увеличивается число локальных участков пробоя (микроплазм), через которые протекает ток. При этом уменьшается плотность тока микроплазм на каждом участке и не происходит теплового пробоя. Таким образом, лавинные диоды при пробое могут рассеивать большую мощность, чем диоды нелавинные.
Рис. 5.2. Конструктивное исполнение лавинного вентиля
В кремниевых нелавинных диодах слабыми местами, где лавинный пробой обычно переходит в тепловой, являются участки ЭДП по периметру полупроводникового элемента (структурные дефекты), через которые и проходит в основном обратный ток.
Чтобы предотвратить возможность такого поверхностного пробоя в лавинном диоде, его ЭДП придают ступенчатую форму.
Концентрация примесей в охранном кольце делается значительно меньшей, чем в центральной части, а толщина диффузионного слоя большей (в области защитного кольца она составляет 120-160 мкм, а в центральной части – 60-80 мкм). В результате напряжение пробоя для алюминиевого перехода оказывается большим, чем для борного, что исключает вероятность поверхностного пробоя. Таким образом, в лавинном диоде при достижении напряжения пробоя основная часть обратного тока определяется лавинным увеличением числа носителей электричества в центральной (низковольтной) части ЭДП, в которой ток распределяется равномерно по его поверхности. Наружное (высоковольтное) кольцо при этом напряжении не пробивается, поэтому диод не выходит из строя.
Отечественные диоды имеют керамический корпус. Герметичность диода обеспечивается уплотнительным кольцом. Анодом лавинного диода служит основание корпуса, катодом – гибкий вывод с наконечником.
Для повышения рабочего тока диода необходимо улучшать теплоотвод, т.е. улучшать охлаждение полупроводникового элемента, увеличивать площадь p-n-перехода и уменьшать механические напряжения, возникающие в кремниевой пластине в результате теплового расширения при прохождении тока. Все это использовано при создании диодов таблеточной конструкции.
4. Лавинный диод
Лавинный диод — полупроводниковый диод, разновидность стабилитрона, работа которого основана на лавинном пробое p-n перехода при обратном включении. Применяется в технике для защиты цепей от перенапряжений.
5. Лавинно-пролетный диод
Лавинно-пролетный диод (ЛПД, IMPATT-диод) — диод, основанный на лавинном умножении носителей заряда. Лавинно-пролетные диоды применяются в основном для генерации колебаний в диапазоне СВЧ. Процессы, происходящие в полупроводниковой структуре диода, ведут к тому, что активная составляющая полного комплексного сопротивления на малом переменном сигнале в определенном диапазоне частот отрицательна. На вольт-амперной характеристике лавинно-пролетного диода, в отличие от туннельного диода, отсутствует участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Рабочей для лавинно-пролетного диода является область лавинного пробоя.
Структура ЛПД
Идея, лежащая в основе работы лавинно-пролётного диода, сформулирована в 1958 году У. Т. Ридом (W. Т. Read). Эффект генерации колебаний при лавинном пробое обнаружен в 1959 году А. С. Тагером, А. И. Мельниковым и другими
Устройство и принцип работы:
Для изготовления лавинно-пролетных диодов используют кремний и арсенид галлия. Такие диоды могут иметь различные полупроводниковые структуры: p+-n-n+, p+-n-i-n+, m-n-n+ (m-n — переход металл-полупроводник), n+-n-p-p+ и другие. Распределение концентраций примесей в переходах должно быть как можно ближе к ступенчатому, а сами переходы — максимально плоскими.
Принцип работы лавинно-пролетного диода рассмотрим на примере p+-n-n+ структуры. Центральная слаболегированная n-область называется базой.
При напряжении, близком к пробивному, обеднённый слой p+—n-перехода распространяется на всю базу. При этом напряжённость электрического поля растет от n-n+-перехода к p+-n переходу, вблизи которого можно выделить тонкую область, в котором напряжённость превышает пробивное значение, и происходит лавинное размножение носителей. Образующиеся при этом дырки утягиваются полем в p+-область, а электроны дрейфуют к n+-области. Эта область называется слоем лавинного размножения. За его пределами дополнительных электронов не возникает. Таким образом, слой лавинного размножения является поставщиком электронов.
При подаче на контакты диода переменного напряжения такого, что в течение положительного полупериода напряжение существенно больше, а в течение отрицательного — существенно меньше напряжения пробоя, ток в слое умножения приобретает вид коротких импульсов, максимум которых запаздывает по отношению к максимуму напряжения приблизительно на четверть периода (лавинное запаздывание). Из слоя умножения периодически выходят сгустки электронов, которые движутся через слой дрейфа в течение отрицательного полупериода, когда процесс генерации электронов в слое умножения прекращается. Движущиеся сгустки наводят во внешней цепи ток, почти постоянный в течение времени пролета. Таким образом, ток в диоде имеет вид прямоугольных импульсов. Этот режим работы диода называется пролётным (IMPATT-диоды). КПД этого режима не превышает 0,3.
Если амплитуда переменного напряжения на диоде достигает значения, примерно равного пробивному напряжению, то в лавинной области образуется столь плотный объёмный заряд электронов, что напряжённость поля со стороны p+-области понижается практически до нуля, а в области базы повышается до уровня, достаточного для развития процесса ударной ионизации. В результате этого процесса слой лавинного умножения смещается и формируется в области базы на фронте сгустка электронов. Таким образом, в области дрейфа образуется движущаяся в направлении n+-области лавина, которая оставляет за собой большое количество электронов и дырок. В области, заполненной этими носителями, напряжённость поля понижается почти до нуля. Это состояние принято называть компенсированной полупроводниковой плазмой, а режим работы лавинно-пролетного диода — режимом с захваченной плазмой (TRAPATT-диоды).
В этом режиме можно выделить три фазы. Первая — образование лавинного ударного фронта, прохождение его через диод, оставляя его заполненным плазмой, захваченной слабым электрическим полем. Ток, текущий через диод в этой фазе, существенно увеличивается из-за дополнительного размножения носителей в базе, а напряжение на диоде за счет образования плазмы снижается почти до нуля. Вторая фаза — период восстановления. База диода в этой фазе наполнена электронно-дырочной плазмой. Дырки из области базы дрейфуют к p+-области, а электроны — к n+-области со скоростью значительно меньшей, чем дрейфовая скорость насыщения. Плазма постепенно рассасывается. Ток в этой фазе остается неизменным. Наступает третья фаза, характеризуемая высоким значением напряжённости поля в диоде и предшествующая новому образованию лавинного ударного фронта. Наибольшую длительность имеет именно третья фаза.
Процессы режима с захваченной плазмой протекают заметно дольше, чем процессы пролётного режима. Поэтому при работе в режиме с захваченной плазмой контур настраивают на меньшую частоту. КПД режима с захваченной плазмой при этом заметно выше КПД пролетного режима и превышает 0,5.
Существует разновидность лавинно-пролётных диодов, работающих в инжекционно-пролётном режиме (BARITT-диоды).
Что означает лавинный диод?
Первый раз столкнулся с такой формулировкой, а именно диод BYV27-200 диод лавинный сверхбыстрый. Сверх быстрый понять могу, а вот что значит лавинный?
комментировать
в избранное
Топор ов Викто р Алекс еевич [169K]
4 года назад
По простому, это «что-то вроде стабилитрона». Такие диоды часто ставят в схему развертки кинескопных телевизоров, для ограничения напряжения строчного трансформатора, чтобы не пробились обмотки и не пробило силовой транзистор. Следует только понимать, что ток ограничения (имеется ввиду статический ток) намного меньше, что паспортный ток в прямом направлении. (Ну, чтобы мощность не превышать). Профессиональное название для такого типа диодов — супрессор. Для таких диодов обычно дается такой параметр, как поглощаемая мощность импульса обратного напряжения. Для этого диода — 20 миллиджоуль (по паспорту). То есть, индуктивность, которая разряжается на этот диод, не должна запасать более этой величины.
автор вопроса выбрал этот ответ лучшим
5.6. Лавинные диоды
Лавинным диодом называется диод с контролируемым напряжением лавинообразования.
При воздействии обратного напряжения большего, чем напряжение пробоя происходит резкое возрастание обратного тока. Этот ток распределяется равномерно по поверхности p-n-перехода. Так как этот ток не сосредоточивается в отдельных точках, то не происходит местного теплового пробоя. При этом наступает равномерный лавинный пробой, т.е. электрический разряд через диод. При таком разряде напряжение на диоде поддерживается на прежнем уровне и в p-n-переходе может выделяться энергия, значительно большая, чем в обычных диодах. Таким образом, лавинные диоды способны выдерживать напряжение лавинообразования, вследствие чего перенапряжения прикладываются к другим элементам электрической цепи, менее чувствительным к ним.
Основу лавинного диода составляет кремниевый выпрямительный элемент, заключенный в герметичный корпус. Конструкция лавинного диода – примерно такая же, как у обычного силового диода (рис. 5.2).
На рис. 5.2 цифрами обозначено: 1 – вольфрамовые пластины; 2 – область проводимости p-типа; 3 – защитное (охранное) кольцо; 4 – область проводимости n-типа.
ЭДП изготавливают путем диффузии алюминия, бора и фосфора в кремний по технологии, обеспечивающей однородный состав кремния с равномерным размещением в нем примесей и структурных дефектов (дислокаций), вследствие чего достигается равномерное распределение проводимости по всей площади перехода. При таком выполнении ЭДП с ростом обратного тока увеличивается число локальных участков пробоя (микроплазм), через которые протекает ток. При этом уменьшается плотность тока микроплазм на каждом участке и не происходит теплового пробоя. Таким образом, лавинные диоды при пробое могут рассеивать большую мощность, чем диоды нелавинные.
Рис. 5.2. Конструктивное исполнение лавинного вентиля
В кремниевых нелавинных диодах слабыми местами, где лавинный пробой обычно переходит в тепловой, являются участки ЭДП по периметру полупроводникового элемента (структурные дефекты), через которые и проходит в основном обратный ток.
Чтобы предотвратить возможность такого поверхностного пробоя в лавинном диоде, его ЭДП придают ступенчатую форму.
Концентрация примесей в охранном кольце делается значительно меньшей, чем в центральной части, а толщина диффузионного слоя большей (в области защитного кольца она составляет 120-160 мкм, а в центральной части – 60-80 мкм). В результате напряжение пробоя для алюминиевого перехода оказывается большим, чем для борного, что исключает вероятность поверхностного пробоя. Таким образом, в лавинном диоде при достижении напряжения пробоя основная часть обратного тока определяется лавинным увеличением числа носителей электричества в центральной (низковольтной) части ЭДП, в которой ток распределяется равномерно по его поверхности. Наружное (высоковольтное) кольцо при этом напряжении не пробивается, поэтому диод не выходит из строя.
Отечественные диоды имеют керамический корпус. Герметичность диода обеспечивается уплотнительным кольцом. Анодом лавинного диода служит основание корпуса, катодом – гибкий вывод с наконечником.
Для повышения рабочего тока диода необходимо улучшать теплоотвод, т.е. улучшать охлаждение полупроводникового элемента, увеличивать площадь p-n-перехода и уменьшать механические напряжения, возникающие в кремниевой пластине в результате теплового расширения при прохождении тока. Все это использовано при создании диодов таблеточной конструкции.