3.5 Диоды Шоттки

Рис.1.17

Рис.1.18

Для уменьшения влияния диффузионной ёмкости (С_диф) на высоких частотах используются диоды, выполненные на основе контакта «Металл-полупроводник»

Особенностью такого контакта является то, что одна область является металлом, другая ─ полупроводником. Обмен электронами между металлом и полупроводником характеризуют разностью работ выхода. Например, если работа выхода металла будет больше работы выхода полупроводника (n-типа), то электроны будут переходить из полупроводника в металл. Вблизи границы полупроводника с металлом образуются положительные некомпенсированные ионы доноров, то есть в приконтактном слое полупроводника возник обеднённый слой. Такой приконтактный слой обладает повышенным удельным сопротивлением. Если теперь к полупроводниковому прибору приложить внешнее напряжение плюсом к металлу, а минусом к полупроводнику, то потенциальный барьер снижается, приконтактный слой обогащается основными носителями и сопротивление снижается. Следовательно, при такой полярности внешнего источника, напряжение будет прямым. Если изменить полярность внешнего источника, то потенциальный барьер повышается, и такое напряжение для перехода будет обратным. Таким образом, контакт обладает выпрямительными свойствами. Потенциальный барьер в приконтактном слое называют барьером Шоттки, а диоды на их основе ─ диодами Шоттки (рис.1.17).

Преимуществом такого диода является практически полное отсутствие накопления заряда в базе, так как ток в них образуется за счёт основных носителей, и скопления неосновных носителей не происходит: в диодах отсутствует инжекция неосновных носителей. Кроме того, падение напряжения на открытом диоде Шоттки не превышает 0,2…0,4 В (рис.1.18).

За счёт отсутствия С_диф диоды Шоттки имеют хорошие переключающие свойства. Верхний предел частотного диапазона диода Шоттки достигает десятков гигагерц.

Например, если необходимо ограничить насыщение транзистора в ключевых схемах и, таким образом, повысить быстродействие ключа, то достаточно зашунтировать коллекторный переход транзистора диодом Шоттки (рис.1.19).

Когда в переходных процессах потенциал коллектора станет отрицательным, диод Шоттки открывается и шунтирует коллекторный переход, устанавливая на нём уровень напряжения 0,2…0,4 В, при котором невозможна высокая степень инжекции носителей из коллектора в базу.

Рис.1.19.

В результате для рассасывания объёмного заряда в базе потребуется гораздо меньшее время, и скорость переключения транзистора возрастает.

3.6 Туннельные диоды

Туннельные диоды — диоды, в основе которых использован туннельный эффект. Любой двухполюсник, имеющий на ВАХ участок отрицательного дифференциального сопротивления, может использоваться как усилитель или генератор.

Туннельные диоды появились в 1948 г. Интерес к туннельным диодам за последнее время ослабел: на его смену пришли более совершенные диоды, не уступающие по характеристикам туннельному, поэтому здесь будет представлена лишь особенность его ВАХ (рис.1.13б)

Диффузионная составляющая тока в пределах отрезка «оа» на ВАХ незначительна, и большую её часть составляет туннельный ток: концентрация примесных атомов очень большая (10¹⁹…10²¹), напряжённость поля получается очень высокой. Электрон при таких условиях приобретает волновые свойства: проникая сквозь электромагнитное поле, электрон не вступает с ним в энергетическое взаимодействие и переходит в соседнюю область как бы по туннелям, не меняя своего энергетического уровня.

а)

б)

Рис.1.13.

Резкое снижение тока на участке «аб» объясняется ослаблением туннельного эффекта (несмотря на возрастание диффузионной составляющей тока): увеличение прямого напряжения на диоде ослабляет напряжённость поля p-n-перехода, и туннельный ток стремительно уменьшается. После точки «б» туннельный диод приобретает свойства обычного диода. В пределах участка «аб» туннельный диод является эквивалентом отрицательного динамического сопротивления: между током и напряжением наблюдается фазовый сдвиг, то есть диод не потребляет, а как бы отдаёт мощность.

Верхний предел частотного диапазона туннельного диода достигает 100¹¹ Гц. Переключающие свойства диода очень хорошие. Туннельные диоды дают хороший эффект при формировании прямоугольных импульсов: нарастающие и спадающие фронты импульсов получаются более крутыми за счёт того, что такие диоды практически безинерционны.

В настоящее время туннельные диоды используются в диапазоне сверхвысоких частот в качестве усилительных элементов и в качестве основного элемента генераторов