4. Диодные свч генераторы

Одним из общих свойств активных элементов в усилительных и генераторных устройствах является отрицательное дифференциальное сопротивление:

,

где – падение напряжения на активном элементе; - ток через активный элемент.

Среди полупроводниковых диодов, обладающих этим свойством, являются туннельные диоды, диоды Ганна и лавинно-пролетные диоды (ЛПД). Генераторы на туннельных диодах и диодах Ганна имеют лучшие характеристики по стабильности параметров генерируемого сигнала и внеполосному излучению, чем генераторы на ЛПД. В связи с чем ниже рассматриваются физические процессы в первых двух диодах.

4.1. Физика работы туннельного диода

Туннельные диоды работают на эффекте туннельных переходов, не связанных с преодолением энергетических барьеров носителями зарядов. Такое явление возникает, если к контакту вырожденных полупроводников приложить прямое напряжение.

Вырожденными полупроводниками называются полупроводники, уровни Ферми в которых находятся либо за пределами запрещенной зоны, либо внутри этой зоны на расстоянии менее 2…3кТ до ее энергетической границы. Для получения вырожденного полупроводника вводят примесь концентрации . Заметим, что в обычных примесных полупроводниковых материалах концентрация на 3-4 порядка меньше.

При такой высокой концентрации происходит энергетическое взаимодействие примесных атомов, что приводит к расщеплению примесных уровней и образованию примесных энергетических зон. Примесные зоны сливаются с зоной проводимости в электронном полупроводнике и с валентной зоной в дырочном полупроводнике.

При осуществлении контакта вырожденных полупроводников с различным типом электропроводности возникают такие же процессы, что и при осуществлении контакта обычных, т.е. невырожденных полупроводников. В результате этого контакта уровни Ферми выравниваются в n- и p- областях, образуется p-n-переход с высоким энергетическим барьером и малой шириной . При малой ширине p-n-перехода напряженность поля в переходе превышает .

Энергетическая диаграмма контакта вырожденных полупроводников приведена на рис.4.1,а. Эта диаграмма отличается от энергетической диаграммы обычного p-n-перехода перекрытием зоны проводимости электронного полупроводника с валентной зоной дырочного полупроводника: , - что и обуславливает возможность туннельных переходов.

а) б)

Рис.4.1. Энергетическая диаграмма – а и вольтамперная характеристика – б контакта вырожденных полупроводников

Для осуществления туннельных переходов необходимо, чтобы занятым энергетическим уровням в одной зоне противостояли свободные энергетические уровни в другой зоне. Допустим, что все энергетические уровни ниже уровня Ферми заняты электронами, а выше уровня Ферми свободны. При отсутствии внешнего напряжения туннельные переходы не происходят.

Если к p-n-переходу приложить прямое напряжение, то правая часть энергетической диаграммы (рис.4.1,а) сместится вниз относительно левой, и занятым уровням зоны проводимости будут противостоять свободные уровни валентной зоны. По мере увеличения прямого напряжения будет возрастать поток электронов 5, то есть прямой туннельный ток. Возрастание потока будет до тех пор, пока потолок валентной зоны дырочного полупроводника не совпадет с уровнем Ферми электронного полупроводника: , - при этом поток 5 будет максимальным.

Дальнейшее увеличение прямого напряжения будет смещать уровень ниже уровня . Следовательно, ширина перекрытия зон, в пределах которой происходят туннельные переходы, будет уменьшаться. По этой причине уменьшается поток 5 и прямой туннельный ток. Когда уровень сравняется с уровнем , туннельные переходы прекратятся.

Одновременно с туннельными переходами имеют место обычные переходы через потенциальный барьер. По мере роста прямого напряжения потенциальный барьер снижается, и потоки 1 и 3 возрастают. Следовательно, прямой ток создается суммой потоков 1, 3 и 5. Вид вольтамперной характеристики в области прямых напряжений показан на рис.4.1,б, где - пик, - впадина характеристики. Участок между точками и характеризуется отрицательным дифференциальным сопротивлением. Чем больше концентрация примеси, тем больше отношение , которое лежит в пределах от 5 до 10.

При подаче на p-n-переход обратного напряжения энергетический барьер в переходе возрастает, что соответствует сдвигу правой части энергетической диаграммы вверх относительно левой, и возникают обратные туннельные переходы: электроны с занятых уровней валентной зоны переходят на свободные энергетические уровни зоны проводимости (поток 6).

Потоки 2 и 4 обусловлены тепловой генерацией носителей зарядов: электронов и дырок в p-n-переходе.

Напряжение пика - прямое напряжение, соответствующее пиковому току, для диодов из арсенида галлия имеет значение 0,1…0,15В, а для германиевых диодов составляет 0,04…0,06В.

Напряжение впадины - прямое напряжение, соответствующее току впадины, для диодов их арсенида галлия имеет значение 0,4…0,5В, а для германиевых диодов 0,25…0,35В.

В связи с тем, что ток в туннельном диоде создается основными носителями заряда, прохождение которых не связано с накоплением неравновесного заряда, прибор обладает очень малой инерционностью. Предельная частота туннельного диода ограничена барьерной емкостью перехода, сопротивлением базы и индуктивностью выводов. Она может достигать сотен ГГц.