6.3 Варикапы

Варикап (от англ. vari(able) — «переменный», и cap(acity) — «ёмкость») — полупроводниковый диод, работа которого основана на зависимости барьерной ёмкости p-n перехода от обратного напряжения. Варикапы применяются в качестве элементов с электрически управляемой ёмкостью в схемах перестройки частоты колебательного контура, деления и умножения частоты, частотной модуляции и др. Схемное (графическое) изображение варикапа приведено на рисунке 6.8.

Рисунок 6.8 - Обозначение варикапа на схемах

Величина барьерной ёмкости связана с обратным напряжением, как было показано в лекции (5): .

Основные параметры варикапа:

С – емкость, измеренная между выводами при заданном обратном напряжении;

- коэффициент перекрытия по емкости;

r_П – суммарное активное сопротивление диода;

- добротность, определяемая при заданном значении емкости.

Лекция 7

7.1 Диоды с быстрым восстановлением

Полное время восстановления t₁+t₂ из рисунка 6.1 может быть существенно уменьшено путём введения центров рекомбинации таких, какое золото создаёт в кремнии. Однако введение достаточно большого количества центров рекомбинации приводит к возрастанию обратного тока, генерационная компонента которого также связана с концентрацией центров N_t в соответствии с выражением (5.7):

, где (см. (2.15))

Кремниевые диоды позволяют получать время восстановления (или переключения) от 1 до 5 нс.

Но существует и другой тип быстопереключающихся диодов.

Особо отметим класс импульсных диодов, имеющих очень малую длительность переходных процессов из-за малых емкостей переходов (доли пикофарад); уменьшение емкостей достигается за счет уменьшения площади p-n-перехода, поэтому допустимые мощности рассеяния у них меньше, чем у низкочастотных выпрямительных диодов. Их используют в импульсных схемах. Так же малой ёмкостью обладают переходы сформированные с очень малой концентрацией примеси в низколегированной областью (PIN диоды).

К параметрам, перечисленным выше, для импульсных диодов следует отнести общую емкость С_Д, максимальные импульсные прямые и обратные напряжения и токи, время установления прямого напряжения от момента подачи импульса прямого тока до достижения им заданного значения прямого напряжения и время восстановления обратного сопротивления диода с момента прохождения тока через нуль до момента, когда обратный ток достигает заданного малого значения (см. рис. 7.1).

Рисунок 7.1 - Переключающая характеристика импульсного диода

После изменения полярности напряжения в течение времени t₁ обратный ток меняется мало, он ограничен только внешним сопротивлением цепи. При этом заряд неосновных носителей, накопленных в базе диода, рассасывается. Далее ток уменьшается до своего статического значения при полном рассасывании заряда в базе (низколегированной области перехода).

7.2 Контакт металл-полупроводник

При непосредственном контакте металла с полупроводником уровни Ферми этих материалов при термодинамическом равновесии должны совпадать (ток не течет). На рисунке 7.2 показаны энергетические диаграммы для идеального контакта (без поверхностных состояний) металла с полупроводником n- типа.

Рисунок 7.2 - Зонные энергетические диаграммы металл-полупроводник для п/п n- типа

На первом рисунке слева металл и полупроводнике не приведены в соприкосновение друг с другом и система не находятся в состоянии термодинамического равновесия. Если потом из соединить, как показано на крайнем рисунке справа (средние рисунки - это сближение металла с полупроводником), то из полупроводника в металл перетечёт некоторый заряд и установится состояние термодинамического равновесия. При этом уровни Ферми в обеих материалов сравняются, т.е. уровень Ферми в полупроводнике понизится относительно уровня Ферми в металле на величину, равную разности соответствующих работ выхода.

Работой выхода называется разность энергий между уровнем вакуума и уровнем Ферми. Для металла эта величина составляет q_m (_m - измеряется в электрон-вольтах), а в полупроводнике она равна q(χ+V_n) (см. левый рисунок), где qχ - электронное сродство, т.е. разница между энергией дна зоны проводимости Е_с и уровнем вакуума, а qV_n - положение уровня Ферми в запрещённой зоне полупроводника. Разность q_m - q(χ+V_n) называется контактной разностью потенциалов. По мере уменьшения расстояния между металлом и полупроводником отрицательный заряд на поверхности металла увеличивается. При этом в полупроводнике образуется равный по величине положительный заряд, расположенный в области вблизи края полупроводника. При соединении металла с п/п (крайний правый рисунок 7.2) образуется потенциальный барьер, равный разности между работой выхода металла и электронным сродством полупроводника:

(7.1)

Итак, контакт металла с полупроводником характеризуется наличием заряженной области (обеднённой свободными носителями), потенциального барьера, также, как и в полупроводниковом pn переходе. Такая система также описывается уравнением Пуассона, решением которого будет выражение для электрического поля и потенциала. В итоге выражение для вольтамперной характеристики будет :

, (7.2)

Где J_s плотность тока насыщения, имеющего сложную зависимость от высоты барьера и температуры, V – подаваемое напряжение.

Пример вольтамперной характеристики в координатах: логарифм I_F (прямой ток) от V_F (прямое напряжение) показан на рисунке 7.3

Рисунок 7.3 – зависимость плотности тока в диодах W – Si, W – GaAs от приложенного в прямом направлении напряжения.

Прямая линия в полулогарифмических координатах свидетельствует об экспоненциальной зависимости в широком диапазоне токов, а точка пересечения прямых с осью ординат при V_F = 0 позволяет найти высоту потенциального барьера.

Диод Шоттки – разновидность выпрямительных диодов, работающий на основе выпрямляющего контакта металл – полупроводник, образующего контактную разность потенциалов из-за перехода части электронов из полупроводника n -типа в металл и уменьшения концентрации электронов в полупроводниковой части контакта. Эта область обладает повышенным сопротивлением. При подключении внешнего источника плюсом к металлу, а минусом к полупроводнику, потенциальный барьер понизится и через переход пойдет прямой ток.

В диоде Шоттки отсутствуют явления накопления и рассасывания основных носителей, поэтому они очень быстродействующие и могут работать на частотах до десятков ГГц. Прямое напряжение составляет ~0,5 В, прямой допустимый ток может достигать сотни ампер, а обратное напряжение – сотен вольт. ВАХ диода Шотки напоминает характеристику обычных p-n-переходов, отличие состоит в том, что прямая ветвь в пределах 8-10 декад напряжения представляет почти идеальную экспоненциальную кривую, а обратные токи достаточно малы – 10^-10…10^-9 А.

Конструктивно диоды Шоттки выполняют в виде пластины из низкоомного кремния, на которую нанесена высокоомная эпитаксиальная пленка с электропроводностью того же типа. На поверхность пленки вакуумным напылением нанесен слой металла.

Рисунок 7.3a – Диод Шоттки PtSi с диффузионным охранным кольцом р- типа

Диоды Шоттки применяют в переключательных схемах, а также в выпрямителях больших токов и в логарифмирующих устройствах, из-за соответствующей вида его ВАХ.