5. Быстродействие полупроводникового диода. Чем оно определяется

 Как Вы знаете,  в мире нет ничего идеального. Это касается и нашего диода. Он не может бесконечно быстро переходить из открытого состояния в закрытый и наоборот. Проведем небольшой эксперимент. Подключим к какому-нибудь диоду источник переменного прямоугольного сигнала низкой частоты (50 Герц) с амплитудой 1 Вольт через токоограничивающий резистор сопротивлением 1 кОм ( все величины приняты от балды. К выводу нашего генератора переменного напряжения подключим осциллограф. При этом схема будет иметь вид:

Далее, приведены параметры генератора, а также его осциллограмма:

В нижней части осциллограммы указаны максимальная положительная и отрицательная амплитуда сигнала ( VA1 и VA2 соответственно). Такой сигнал подается, чтобы диод работал как в прямом, так и в обратном включении (постоянно открывался и закрывался).

  Теперь подключим еще один вывод осциллографа непосредственно к диоду, для того чтобы сравнить осциллограмму нашего генератора и диода. Схема будет иметь такой вид:

Посмотрим, что у нас происходит на осциллограмме:

Синий цвет ─ сигнал с генератора, красный ─ сигнал на диоде. Видно, что при положительной полярности сигнала диод отпирается, и напряжение на нем ограничивается величиной его отпирания (параметр VB1 внизу осциллограммы). Остальная часть напряжения спадает на резисторе. При отрицательной полярности все напряжение практически спадает на диоде, поскольку в этом случае он ток не проводит (заперт). При низкой частоте, временные характеристики сигналов практически одинаковы. Это видно по спадающим и нарастающим фронтам сигнала (они совпадают друг с другом, значит, диод успевает открываться и закрываться вслед за сигналом). Но что будет, если частоту повысить на несколько порядков? Зададим частоту , например 10 Мегагерц и посмотрим на осциллограмму:

Здесь видно существенную разницу между предыдущей картиной. Нарастание и спад фронта сигнала на диоде ощутимо отстает от сигнала  генератора. Это говорит о инертности диода при его отпирании и запирании. Пойдем дальше и зададим частоту сигнала в 100 мегагерц:

Инертность стала заметно виднее. Так, повышая частоту, наш диод постепенно превращается в обычный проводник, и его  диодное свойство "сводится на нет".

  Рассмотрим, какие причины способствуют такому поведению диода.

1) В этой статье  уже было описано, что такое ОПЗ. Так вот, она имеет свою емкость. Все знают, что емкость мгновенно зарядиться не может, отсюда и возникают  временные задержки сигнала на диоде. Величина этой емкости (ее еще называют зарядной емкостью) достаточно мала, но ее действие заметно на высоких частотах. 

2) Диффузионная емкость. Она вносит большой вклад в инерционность. Это не обычная физическая емкость. При протекании тока в диоде, происходит процесс рекомбинации, то есть электрон и дырка "соединяются" и заряды нейтрализуются. Но этот процесс не мгновенный. А теперь представим ситуацию. Подаем прямой ток в диоде. Электроны начиyают двигаться в сторону дырок ( в область р-типа) и уже хотят с ними прорекомбинировать, но электрический ток так быстро изменил свое направление на противоположное, что они этого сделать не успели. Что получается? Кучка свободных непрорекомбинированных зарядов участвуют уже в протекании обратного тока. Непрорекомбинированные электроны под действием обратного тока покидают область p-типа, и этот ток со временем уменьшается. Но если бы электроны успели прорекомбинировать с дырками, то обратный ток не смог бы протекать, так как заряды нейтрализовались.

 Существуют множество способов увеличить быстродействие диодов. Одним из таких способов, например, является уменьшение площади p-n перехода, что уменьшит, в свою очередь емкость ОПЗ. Меньше емкость ─ больше быстродействие. Подробно останавливаться на этом не будем. Важно знать лишь, что каждому диоду-свое применение. Там, где справляется обычный диод с малым быстродействием, допустим в сетевом выпрямителе, с трудом справится какой-нибудь быстродействующий, поскольку в виду его специфики, он может быть не расчитан на такое высокое напряжение, на большой ток и т.д., поскольку, увеличение быстродействие ведет за собой ухудшение других характеристик.