Диод с накоплением заряда

Это разновидность импульсных диодов, специально спроектированных для формирования коротких импульсов. Неравномерным распределением примесей в базе диода создаётся ускоряющее, либо

т ормозящее поле, способствующее перераспределению инжектированного заряда в области базы.

Ускоряющее поле как бы оттягивает дырки от границы перехода, снижая граничную концентрацию, а тормозящее поле поджимает дырки к переходу, повышая их граничную концентрацию. Так как длительность первой фазы формирования обратного тока определяется временем спада граничной концентрации до равновесной, можно создавать диоды с заданной длительностью фазы высокой обратной проводимости.

Туннельный диод

У величением концентрации примесей в обоих полупроводниках можно добиться туннельного эффекта даже при равновесном состоянии p-n перехода. Уровень Ферми в этом случае лежит внутри разрешённых зон на расстоянии ≈3φ_T от их границ. Напротив валентной зоны p-области располагаются уровни зоны проводимости n-области. Такое слияние зон происходит при некоторой критической концентрации примесей. Например для германия эта величина составляет 2·10²⁵ м^-3, а для кремния 6·10²⁵ м^-3 , т.к. ширина запрещённой зоны у него больше.

При нулевом смещении перехода При небольших смещениях, как в прямом так и в обратном направлении через переход протекает туннельный ток электронов, величина которого зависит от приложенного напряжения. Обратный туннельный ток при этом может достигать весьма больших значений.

При увеличении прямого смещения прямой ток растёт за счёт увеличения прямого напряжения, затем рост тока замедляется из-за уменьшения области перекрытия валентной зоны и зоны проводимости смежных полупроводников. В точке максимума ВАХ увеличение прямого тока за счет увеличения прямого напряжения компенсируется его уменьшением вследствие сужения области перекрытия валентной зоны и зоны проводимости. Отметим, что наряду с туннельным током, при прямом смещении, через переход протекает и диффузионный ток, однако его доля в прямом токе диода при небольших смещениях ещё невелика. Дальнейшее увеличение прямого смещения приводит к уменьшению

прямого тока т.к. сужение области перекрытия валентной зоны и зоны проводимости начинает влиять на величину тока в более значительной степени, нежели увеличение прямого напряжения.

Туннельный ток, при дальнейшем увеличении прямого напряжения, стремится к нулю, а диффузионный ток начинает расти. Этим обусловлен минимум тока на ВАХ, которая по мере дальнейшего увеличения прямого напряжения переходит в ВАХ обычного диода. Приборы, имеющие ВАХ подобную ВАХ туннельного диода называют приборами с N-образной ВАХ.

Параметры туннельных диодов

Вид ВАХ туннельного диода предопределяет его специфические параметры:

1. I_п – пиковый ток, соответствующий максимуму тока ВАХ.

2. I_в – ток впадины, соответствующий минимуму тока ВАХ.

3. U_п – напряжение пика.

4. U_в – напряжение впадины.

5. U_рас – напряжение раствора (прямое напряжение, соответствующее току диффузионной ветви равному пиковому туннельному току).

6. I_п / I_в – отношение пикового тока к току впадины.

7. R_д.отр – отрицательное дифференциальное сопротивление диода.

Н аличие участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением позволяет использовать туннельные диоды в быстродействующих переключателях, а также для усиления и генерирования колебаний СВЧ. Благодаря тому, что туннельный ток не связан с относительно медленными процессами диффузии и дрейфа носителей заряда, туннельные диоды могут работать на очень высоких частотах, вплоть до нескольких сотен ГГц. Частотные свойства диода ограничены условием сохранения отрицательного дифференциального сопротивления.

На эквивалентной схеме L_выв - индуктивность выводов диода, R_б - сопротивление базы (включает активное сопротивление выводов и контактов), R_д – отрицательное дифференциальное сопротивление, С_p-n – ёмкость перехода (при заданном напряжении). Полное сопротивление диода можно представить в виде . На некоторой частоте , называемой критической частотой туннельного диода, активная часть этого выражения может обратиться в нуль, т.е. . Исследование этого выражения на максимум даёт при Таким образом частотные свойства туннельного диода полностью определяются постоянной времени . Для снижения сопротивления базы в качестве основного материала используется арсенид галлия.

В ариантом туннельного диода является обращённый диод. Подобная характеристика получается, если подобрать концентрации примесей так, чтобы при отсутствии смещения границы зон совпадали. В этом случае уровень Ферми находится у краёв зон и туннельный ток возможен в основном при обратном смещении. Обращённым такой диод называется из-за того, что обратная ветвь его ВАХ похожа на прямую ветвь ВАХ обычного диода, а прямая на обратную.

Благодаря малому падению напряжения (0,15 – 0,35)В на обратной – туннельной ветви ВАХ, даже при значительном обратном токе, а также высокому быстродействию, обращённые диоды нашли широкое применение в основном в схемах ограничителей напряжения ВЧ и СВЧ.

ТРАНЗИСТОРЫ

Биполярные транзисторы

Плоскостной бездрейфовый (диффузионный) транзистор.

Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковый двухпереходный прибор с тремя выводами, пригодный для усиления мощности.

Средняя область Б – база транзистора, это полупроводник типа p или n, к которому с двух сторон примыкают области с противоположным типом проводимости. Левая область с меньшей площадью называется эмиттером – Э, а правая область с большей площадью перехода называется коллектором - К. Принцип работы транзистора основан на инжекции носителей заряда из эмиттера в базу, их диффузии к коллекторному переходу и экстракции зарядов в область коллектора. Таким образом происходит передача тока эмиттера в цепь коллектора, поэтому для повышения эффективности собирания зарядов коллектором его площадь значительно превышает площадь эмиттера.

Для того чтобы большинство дырок достигало коллекторного перехода, база должна быть достаточно тонкой т.е. w_б<<L_p, где w_б-толщина базы, а L_p-диффузионная длина дырок.

В зависимости от порядка чередования типа полупроводников Э, Б и К различают транзисторы типа p-n-p или транзисторы прямой проводимости, а также транзисторы n-p-n или транзисторы обратной проводимости.

Н аибольшую степень легирования (наименьшее сопротивление) имеют эмиттер и коллектор, а степень легирования базы на несколько порядков ниже.

Переход между эмиттером и базой называют эмиттерным, а между базой и коллектором – коллекторным.

Различают 3 режима работы транзисторов.

1. Режим отсечки – когда оба перехода смещены в обратном направлении (закрыты).

2. Режим насыщения – оба перехода смещены в прямом направлении.

3. Активный режим – когда эмиттерный переход смещён в прямом, а коллекторный – в обратном.

В первых двух режимах транзистор не может быть использован для усиления сигналов, кроме того их можно рассматривать как предельные области активного режима, поэтому дальнейшее изложение принципа работы транзистора сосредоточено на активном режиме U_эб>0, U_кб<0.