Контрольные вопросы по теме

1. Чем определяются частотные свойства p-n перехода?

2. В чем отличие ДНЗ от диодов с обычным p-n переходом?

3. Объясните принцип работы туннельного диода.

4. Объясните принцип работы pin-диода.

5. Объясните принцип работы диода с барьером Шотки.

6. Назовите причины, затрудняющие применение биполярных транзисторов в СВЧ диапазоне.

7. В чем заключаются преимущества полевых транзисторов в СВЧ диапазоне по сравнению с биполярными транзисторами?

Т Е М А 7

Лавино-пролетные диоды (лпд)

7.1. Лавинное умножение носителей заряда

Дрейфовая скорость носителей заряда в полупроводни­ке связана с напряженностью электрического поля соотноше­нием

(7.1)

где – подвижность носителей заряда, пропорциональная средне­му времени их пробега.

В слабых полях среднее время пробега в основном определя­ется тепловым движением и не зависит от напряженности элект­рического поля. Зависимость (7.1) здесь линейна. В сильных полях дрейфовая скорость становится сравнимой с тепловой, и время про­бега уменьшается, поскольку длина пробега, определяемая посто­янной кристаллической решетки, остается постоянной. Это приво­дит к уменьшению подвижности носителей заряда и нарушению линейности (7.1.) Дрейфовая скорость достигает своего максималь­ного значения (скорость насыщения) и в дальнейшем от E уже не зависит. Значение зависит только от состава полупро­водника, типа носителей (электрон, дырка) и составляет примерно 10⁷ см/с.

Ударная ионизация. Если энергия движущихся носителей заряда превышает некоторое определенное значение, начина­ется процесс ударной ионизации: соударение носителя с ней­тральными атомами кристаллической решетки приводит к об­разованию новой пары носителей – электрона и дырки. Удар­ная ионизация наблюдается при большой напряженности элек­трического поля (Е > 10⁵ В/см). Для количественной характе­ристики этого процесса вводят коэффициенты ионизации электронов и дырок , определяющие число электронно-дырочных пар, создаваемых носителем на единице пути (1 см). Коэффициенты ионизации очень сильно зависят от напряженности электрического поля и при его увеличении в два-три раза могут возрастать на четыре-пять порядков. В полупроводниковых дио­дах ударная ионизация может происходить в области p-n перехода, если в ней создана достаточная напряженность электрического поля. С этим явлением связан резкий рост обратного тока, называ­емый лавинным пробоем. Пусть начальный дырочный ток на ле­вой границе p-n перехода (Рис. 7. а) при x = 0 равен , а начальный ток электронов на правой границе при .

Вследствие ударной ионизации число двигающихся дырок ра­стет слева направо, а электронов – справа налево (Рис. 7.1. б). Каж­дый носитель, пройдя слой толщины , создаёт пар электрон-дырка (коэффициенты ионизации электронов и дырок примерно рав­ны друг другу). Это дает приращение дырочного и электронного тока в слое :

(7.2)

(7.3)

где I – полный ток в сечении x.

Если мы имеем дело с несимметричным p-n переходом, в ко­тором, например, концентрация доноров намного больше концент­рации акцепторов, то можно считать, что начальный дырочный ток будет много больше начального электронного тока и лавинное ум­ножение вызвано дырками, приходящими из n-области. Интегри­руя (7.2) в пределах 0 - d, получим:

(7.4)

В рассматриваемом случае , поэтому , т.е.

(7.5)

или иначе:

(7.6)

Параметр называется коэффициентом лавинного умно­жения (для того случая, когда этот процесс начинают дырки).

Аналогично можно ввести коэффициент лавинного умножения и в том случае, когда этот процесс начинают электроны:

(7.7)

Принято считать, что лавинный пробой наступает при таком обратном напряжении, когда и обращаются в бесконечность. Последнее возможно, если

(7.8)

Коэффициенты ионизации α зависят от напряженности электрического поля, распределение которого в переходе можно найти из уравнения Пуассона. Таким образом, по (7.8) можно оп­ределить ширину перехода, при которой наступает пробой, а затем по известному распределению напряженности поля вычислить на­пряжение пробоя.