Диод восстановления шага

В электронике диод с ступенчатым восстановлением ( SRD, snap-off digod или charge-storage dig или memory varactor ^[a] ) — это полупроводниковый диод с переходом , способный генерировать чрезвычайно короткие импульсы. Он имеет множество применений в микроволновой (диапазон от МГц до ГГц) электронике в качестве импульсного генератора или параметрического усилителя .

Когда диоды переключаются с прямой проводимости на обратную отсечку, обратный ток протекает кратковременно, поскольку накопленный заряд удаляется. Именно резкость, с которой этот обратный ток прекращается, характеризует диод с ступенчатым восстановлением.

Первая опубликованная статья о SRD (Бофф, Молл и Шен, 1960 г.): авторы начинают краткий обзор, утверждая, что «характеристики восстановления некоторых типов диодов с pn-переходом демонстрируют разрыв, который может быть использован с выгодой для генерации гармоник или для производства миллимикросекундных импульсов». Они также ссылаются на то, что впервые наблюдали это явление в феврале 1959 г.

Основным явлением, используемым в SRD, является сохранение электрического заряда во время прямой проводимости , что присутствует во всех полупроводниковых диодах и обусловлено конечным сроком службы неосновных носителей заряда в полупроводниках . Предположим, что SRD смещен в прямом направлении и находится в стационарном состоянии, т. е. ток смещения анода не меняется со временем: поскольку перенос заряда в диоде в основном обусловлен диффузией, т. е. непостоянной пространственной плотностью носителей заряда, вызванной напряжением смещения, заряд Q _s сохраняется в устройстве. Этот сохраненный заряд зависит от

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

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

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

Теперь предположим, что смещение напряжения резко меняется, переключаясь со своего стационарного положительного значения на более высокое постоянное отрицательное значение: тогда, поскольку определенное количество заряда было сохранено во время прямой проводимости, сопротивление диода все еще мало ( т.е. напряжение анод-катод V _AK имеет почти такое же значение прямой проводимости ). Анодный ток не прекращается, но меняет свою полярность (т.е. направление своего потока), и сохраненный заряд Q _s начинает вытекать из устройства с почти постоянной скоростью I _R . Таким образом, весь сохраненный заряд удаляется за определенное время: это время является временем хранения t _S и его приблизительное выражение равно

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

Когда весь накопленный заряд удален, сопротивление диода внезапно изменяется, достигая своего предельного значения при обратном смещении в течение времени t _Tr , времени перехода : это поведение можно использовать для получения импульсов со временем нарастания, равным этому времени.

Дрейфовый ступенчатый восстановительный диод (ДДРВ) был изобретен российскими учеными в 1981 году ( Грехов и др., 1981). Принцип работы ДДРВ аналогичен ДДРВ, с одним существенным отличием — прямой ток накачки должен быть импульсным, а не непрерывным, поскольку дрейфовые диоды работают с медленными носителями.

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. При изменении направления тока накопленные заряды удаляются из базовой области.

Как только накопленный заряд уменьшается до нуля, диод быстро открывается. Высоковольтный всплеск может возникнуть из-за самоиндукции диодной цепи. Чем больше ток коммутации и короче переход из прямой в обратную проводимость, тем выше амплитуда импульса и эффективность импульсного генератора (Кардо-Сысоев и др., 1997).

• Генераторы гармоник ^[1]
  • Локальные генераторы
  • Генератор, управляемый напряжением
  • синтезаторы частот
  • Умножитель частоты ^{[2] [3]}
• Генератор гребня ^[4]
• Детектор фазы выборки ^{[5] [6]}

• Неосновной носитель
• P-n переход
• Генератор импульсов
• Полупроводниковый диод

• 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 IRE по твердотельным схемам, т. III, Нью-Йорк: IEEE Press, стр. 50–51, doi :10.1109/ISSCC.1960.1157249Первая статья, посвященная SRD: интересная, но « ограниченный доступ ».

В следующих двух книгах содержится всесторонний анализ теории неравновесного переноса заряда в полупроводниковых диодах , а также дается обзор приложений (по крайней мере до конца семидесятых годов).

• Носов, Юрий Романович (1969), Переключение в полупроводниковых диодах , Монографии по физике полупроводников, т. 4, Нью-Йорк Сити : Plenum Press.
• Тхорик, Юрий Александрович (1968), Переходные процессы в импульсных полупроводниковых диодах , Иерусалим : Израильская программа научных переводов, ООО..

В следующих примечаниях по применению подробно рассматриваются практические схемы и приложения с использованием SRD.

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

На Викискладе есть медиафайлы по теме Диоды со ступенчатым восстановлением .

• Tan, Michael R.; Wang, SY; Mars, DE; Moll, JL (31 декабря 1991 г.), 12-пс GaAs двойной гетероструктурный ступенчатый восстановительный диод, HP Labs Technical Reports, т. HPL-91-187, Пало-Альто : Hewlett-Packard. Интересная статья, описывающая конструкцию и сообщающая об измеренных характеристиках чрезвычайно быстрого гетероперехода SRD.
• Киркби, Дэвид (апрель 1999 г.), «Глава 5. Генераторы импульсов» (PDF) , Пикосекундный оптоэлектронный кросс-коррелятор, использующий лавинный фотодиод с модулированным усилением для измерения импульсного отклика ткани (PDF) , заархивировано из оригинала (PDF) 2012-02-06. Это докторская диссертация, в которой SRD является ключевым элементом. Глава 5 особенно актуальна.