Электроника и электротехника Расчет мостового выпрямителя с фильтром Туннельный диод Высокочастотные полевые транзисторы Электромагнитное поле Энергия электромагнитного поля

Туннельный диод

Концептуальная диаграмма.

Процессы, происходящие в полупроводнике в случае туннельного эффекта.

Вольт-амперная характеристика туннельного диода.

Параметры, применение.

Контрольные вопросы.

5.1. Концептуальная диаграмма

 


5.2. Процессы, происходящие в полупроводнике в случае туннельного эффекта

Туннельный диод относится к группе полупроводниковых приборов, вольт-амперные характеристики которых имеют участок, соответствующий отрицательному дифференциальному сопротивлению прибора. Туннельный диод применяется как многофункциональный прибор (усиление, генерация, переключение и др.) для работы преимущественно в области СВЧ. Он может работать и на более низких частотах, однако его эффективность в этом случае значительно ниже, чем, например, транзистора.

Туннельный диод создается на основе вырожденного полупроводника. При этом высокая доза примеси в высоколегированном полупроводниковом материале вызывает смещение уровня Ферми настолько, что он располагается у электронного полупроводника в зоне проводимости, а у дырочного — в валентной зоне (рис. 5.2, а). Таким образом, при изготовлении туннельного диода как в p-область, так и в n-область вводят легирующие примеси в очень большой концентрации (примерно 1019¸1020 см-3, что на 2—3 порядка выше, чем в обычных диодах). Вследствие этого ширина перехода весьма мала — порядка 0,01мкм. Внутри перехода возникает электрическое поле напряженностью Е=105¸106 В/см.

В основе работы туннельного диода лежит туннельный эффект, сущность которого заключается в том, что электрон, обладающий энергией, меньшей, чем высота потенциального барьера, может проникнуть с некоторой вероятностью сквозь этот тонкий потенциальный барьер. Электрон как бы пользуется своеобразным туннелем, чтобы пройти сквозь барьер, не поднимаясь над его уровнем. Этот процесс происходит очень быстро (со скоростью света).

При образовании p-n-перехода происходит смещение энергетических зон полупроводников с различным типом проводимости в такой мере, что уровень Ферми для них становится прямой горизонтальной линией. При этом в случае вырожденных полупроводников нижняя граница зоны проводимости n-области становится ниже верхней границы валентной зоны р-области. Для простоты рассуждений будем считать, что все разрешенные уровни, расположенные ниже уровня Ферми, заняты, а расположенные выше него — свободны.

В очень узких p-n-переходах возникают условия для относительно свободного туннельного прохождения электронов через потенциальный барьер. Однако для этого необходимо, чтобы напротив занятого электроном уровня по одну сторону барьера имелся свободный уровень за барьером.

Вольт-амперная характеристика туннельного диода Приведена вольт-амперная характеристика туннельного диода. Особенность этой характеристики заключается в следующем. В области обратных напряжений обратный ток растет очень быстро с повышением напряжения, т. е. туннельный диод обладает весьма малым обратным дифференциальным сопротивлением. В области прямых напряжений с увеличением напряжения прямой ток сначала растет до пикового значения I1 при напряжении U1 в несколько десятков милливольт, а затем начинает уменьшаться (участок АВ, в пределах которого туннельный диод обладает отрицательной проводимостью G. Ток спадает до минимального значения I2 при напряжении U2 порядка нескольких сотен миливольт, в дальнейшем прямой ток вновь начинает увеличиваться с ростом напряжения.

Для изготовления туннельных диодов применяются различные полупроводниковые материалы: германий, кремний, арсенид галлия, фосфат индия, арсенид индия, антимонид индия и антимонид галлия. Выбор материала в значительной степени определяется требуемыми параметрами прибора. Наиболее перспективным материалом является арсенид галлия, обладающий наилучшими параметрами. Для германиевых диодов в качестве доноров используют фосфор или мышьяк, а в качестве акцепторов — галлий или алюминий. Для арсенид-галлиевых - олово, свинец, серу, селен, теллур (доноры), цинк, кадмий (акцепторы). Для получения узкого p-n-перехода применяется метод вплавления или диффузии примесей.

Диод Шоттки Физические исследования контакта металл — полупроводник стимулировались прогрессом в области точечно-контактных полупроводниковых выпрямителей. В предвоенные годы немецкий ученый Шоттки получил основные математические соотношения, описывающие электрические характеристики этого контакта, вследствие чего подобную структуру стали называть барьером Шоттки. Однако многие замечательные свойства, предсказываемые теорией для барьера Шоттки, практически наблюдать не удалось из-за очень резкого отличия точечных диодов от идеализированной модели (значительные механические напряжения в приконтактной области, наличие промежуточных окисных слоев, мультиконтактность и т. п.). Этим, а также большими успехами приборов с p-n-переходами и объясняется тот ограниченный интерес в отношении исследований контакта металл — полупроводник и создания приборов на его основе.

p-i-n-диод состоит из трех чередующихся областей: с дырочной, собственной и электронной проводимостью. Между сильно легированными областями с дырочной и электронной электропроводностью находится i-область с концентрацией носителей, близкой к концентрации pi и ni в собственном полупроводнике (рис. 6.4. б). Концентрации носителей в р-области рр и пр , а в n-области nn и рп∙ При подаче прямого напряжения в i-область одновременно инжектируются дырки из р-области и электроны из n-области. Сопротивление i-области и всего диода становится малым, его значение определяется постоянным током, протекающим через диод.. При обратном напряжении дырки и электроны экстрагируются из i-области в p- и n-области соответственно. Уменьшение концентрации носителей в i-области приводит к увеличению сопротивления i-об-ласти и всего диода. Такая зависимость сопротивления p-i-n-диода от напряжения объясняет эффективность его применения в качестве мощного выпрямительного диода, у которого должны быть малое прямое и большое обратное, сопротивления. Разработка p-i-n-диодов с малой емкостью позволила использовать их в СВЧ диапазоне.

Лавинно-пролетный диод (ЛПД)— это полупроводниковый СВЧ-диод, в котором для получения носителей заряда используется лавинное умножение (ударная ионизация) в области электрического перехода и взаимодействие этих носителей с переменным полем в переходе в течение времени пролета. Лавинно-пролетные диоды относятся к классу двух-полюсников, обладающих отрицательным сопротивлением на зажимах, что позволяет испо-льзовать ЛПД для создания генераторов и усилителей. Отрицательное сопротивление ЛПД проявляется только на достаточно высоких частотах и не проявляется в статическом режи-ме. Причиной этого является наличие фазового сдвига между током и напряжением на ЛПД.

Пролетный режим работы ЛПД (IМРАТТ -Avalanche Transit Time — ударная ионизация и пролетное время) работы диода основан на использовании лавинного пробоя и эффекта времени пролета носителей в обедненной области различных полупроводниковых структур. Распределение поля в этой области, определяющее физические процессы в диоде, зависит от типа структуры и закона распределения концентрации примесей в областях структуры. Ниже будет рассмотрена структура типа n+—р—i—p+ (диод Рида) (рис. 7.2, a), в которой области лавинного умножения и дрейфа носителей пространственно разделены.

Параметры их характеристики, особенности устройства и применения ЛПД Основными параметрами ЛПД являются: а) выходная мощность Pвых—мощность генератора на ЛПД в заданном диапазоне частот и напряжения питания. Это важнейший параметр ЛПД. Максимальная полезная мощность генератора при заданном сопротивлении нагрузки зависит от добротности диода и от амплитуды переменного тока и напряжения. Максимальное значение выходной мощности различных типов ЛПД колеблется в пределах 10—100 мВт на частоте 7-50 ГГц;

Для ycилeния и гeнepaции кoлeбaний CBЧ-диaпaзoнa мoжeт быть иcпoльзoвaнa aнoмaльнaя зaвиcимocть cкopocти элeктpoнoв oт нaпряжeннocти элeктpичecкoгo пoля в нeкoтopыx пoлyпpoвoдникoвыx coeдинeнияx, пpeжде вceгo в apcенидe гaллия. Пpи этoм ocнoвнyю poль игpaют пpoцeccы, пpoиcxoдящиe в oбъeмe пoлyпpoвoдникa, a нe в p-n-пepexoдe. В 1961 -1962гг. Ридли, Уоткинс и Хилсум теоретически показали, что однородные образцы из некоторых полупроводниковых материалов могут иметь отрицательную дифференциальную проводимость. В 1963 г. Дж.Ганн экспериментально обнаружил токовую неустойчивость (высокочастотные периодические импульсы тока) в однородных образцах из GaAs и InP с электронной проводимостью (пoэтoмy тaкиe пpибopы нaзывaют диoдaми Гaннa). В oтeчecтвeннoй литepaтype иx нaзывaют тaкжe прибopaми c oбъeмнoй нeycmoйчивocmью или c мeждoлинным пepeнocoм элeкmpoнoв, пocкoлькy aктивныe cвoйcтвa диoдoв oбycлoвлeны пepexoдoм элeктpoнoв из «цeнтpaльнoй» энepгетичecкoй дoлины в «бoкoвyю», гдe oни xapaктepизyютcя бoльшoй эффeктивнoй мaccoй и мaлoй пoдвижнocтью. В инocтpaннoй литepaтype пocлeднeмy нaзвaнию cooтвeтcтвyeт тepмин TED (Traпsferred Electroп Device).

Объемное отрицательное сопротивление Общим условием усиления или генерации колебаний является наличие отрицательного дифференциального сопротивления, или дифференциальной проводимости. Найдем условие, при котором возможно существование отрицательной дифференциальной проводимости в однородных полупроводниках.

Пролетный режим генератора. Обычно так называют режим работы, в котором колебательная система, связанная с прибором Ганна, имеет низкую добротность. В этом случае переменное напряжение на колебательной системе мало по сравнению с постоянным напряжением и не оказывает обратного влияния на процессы в образце из GaAs. Если постоянное напряжение превышает пороговое значение, то в образце возникнут импульсы тока, частота следования которых определяется временем пролета. Этот режим уже рассмотрен как эффект Ганна.

Режим с подавлением домена

Транзистором называют электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним или несколькими электрическими переходами, имеющий три и более выводов. Термин "транзистор" происходит от английских слов transfer of resistor (преобразователь сопротивления). В отличие от вакуумных СВЧ приборов, не имеющих, с точки зрения механизма работы, аналогов в низкочастотном диапазоне, в основе работы полупроводниковых СВЧ-транзисторов лежат те же физические процессы, которые определяют работу транзисторов на низких частотах. Рассмотрим факторы, которые, с одной стороны, ограничивают возможность использования низкочастотных транзисторов в СВЧ-диапазоне и которые приводят, с другой стороны, к конструктивным особенностям СВЧ-транзисторов, являясь основанием для выделения их в самостоятельную группу транзисторных приборов.

Коэффициент усиления и максимальная частота генерации. Для характеристики усилительных свойств СВЧ БТ вводится коэффициент однонаправленного усиления Кр. Он характеризует прямое усиление транзистора по мощности при условиях его согласования с источником сигнала и нагрузкой и компенсации обратной связи внешней цепью без потерь. Этот коэффициент является общей характеристикой БТ. Он не зависит от схемы включения транзистора. Пользуясь эквивалентной схемой БТ при включении с общей базой, можно получить при условии (ω/ωгp)2 <<1 следующее выражение для коэффициента усиления по мощности Кр.

Особенности создания инверсной населенности уровней В полупроводниковых лазерах используется инверсия населенностей, получаемая в полупроводниках с одним или с различными типами проводимости (p-n-переход). Идеальным было бы состояние (рис. 10.9), когда верхние уровни в области 2 полностью заполнены электронами проводимости а нижние в области 1 полностью свободны от валентных электронов, т. е. полностью заполнены дырками. В этом случае инверсия населенности была бы наибольшей.


Законы Ома и Кирхгофа