3.1.4. Обращенные диоды

Обращенным называют диод на основе полупроводника с критической концентрацией примесей, в котором проводимость при обратном напряжении вследствие туннельного эффекта значительно больше, чем при прямом напряжении

При концентрациях примесей в р- и n-областях диода, меньших, чем в туннельных диодах, но больших, чем в обычных выпрямительных диодах, можно получить диод, энергетическая диаграмма которого показана на рисунке 3.8, а. Уровень Ферми при такой средней концентрации примесей может быть расположен на потолке валентной зоны p-области и на дне зоны проводимости n-области диода, т.е. потолок валентной зоны p-области и дно зоны проводимости n-области при нулевом смещении на диоде находятся на одной высоте по энергетической диаграмме.

Обратная ветвь вольтамперной характеристики обращенного диода аналогична обратной ветви вольтамперной характеристики туннельного диода, так как при обратных напряжениях происходит туннелирование электронов из валентной зоны р-области в зону проводимости n-области. Поэтому обратные токи в обращенных диодах оказываются большими при ничтожно малых обратных напряжениях (десятки милливольт).

Прямая ветвь вольтамперной характеристики обращенного диода аналогична прямой ветви вольтамперной характеристики обычного выпрямительного диода, так как при прямых напряжениях на обращенном диоде прямой ток может быть образован только в результате инжекции носителей заряда через потенциальный барьер электронно-дырочного перехода. Но заметная инжекция может наблюдаться только при прямых напряжениях в несколько десятых долей вольта. При меньших напряжениях прямые токи в обращенных диодах оказываются меньше обратных (рисунок 3.8, б).

Таким образом, обращенные диоды обладают выпрямляющим эффектом, но пропускное (проводящее) напряжение у них соответствует обратному включению, а запирающее (непроводящее) – прямому включению.

Из принципа действия обращенных диодов ясно, что они, во-первых, способны работать на очень малых сигналах. Во-вторых, должны обладать хорошими частотными свойствами, так как туннелирование – процесс малоинерционный, а эффекта накопления неосновных носителей при малых прямых напряжениях практически нет. Поэтому обращенные диоды можно использовать на СВЧ. В-третьих, из-за относительно большой концентрации примесей в прилегающих к электронно-дырочному переходу областях обращенные диоды оказываются мало чувствительными и воздействию проникающей радиации.

Рисунок 3.8 - Энергетическая диаграмма (а) и вольтамперные характеристики

обращенных диодов

3.2. Параметрический диод (варикап)

3.2.1. Структура и принцип действия

Варикап – это полупроводниковый диод, в котором используется зависимость емкости от величины обратного напряжения и который предназначен для применения в качестве элемента с электрически управляемой емкостью.

Диод обладает барьерной и диффузионной емкостями. В качестве варикапов используют только диоды при обратном постоянном смещении, когда проявляется только барьерная емкость. Диффузионная емкость проявляется при прямом смещении диода, когда проводимость его велика и велики потери мощности из-за относительно больших активных токов через диод.

Зависимость емкости от напряжения смещения различна для варикапов, изготовленных методом диффузии примесей или методом эпитаксии. В варикапах с резким электронно-дырочным переходом зависимость барьерной емкости от напряжения смещения получается более резкая. Связано это с тем, что глубина проникновения электрического поля или его приращения в материал зависит от удельного сопротивления этого материала. В сплавном варикапе слои базы, прилегающие к переходу, легированы равномерно, а в диффузионном – при удалении от перехода концентрация нескомпенсированных примесей увеличивается, т.е. уменьшается удельное сопротивление.

Поэтому для получения еще более резкой зависимости емкости варикапа от напряжения смещения необходимо создавать в базе варикапа аномальное распределение нескомпенсированных примесей с градиентом концентрации другого знака по сравнению со знаком градиента концентрации без-диффузионного диода (рисунок 3.9, б).

Так же, как в других диодах, сопротивление базы варикапа должно быть по возможности меньшим. Одновременно для большего пробивного напряжения необходимо большое удельное сопротивление слоев базы, прилегающих к электронно-дырочному переходу. Таким образом, база варикапа должна состоять из двух слоев (рисунок 3.9,а,б). Основная часть базы – подложка должна быть низкоомной. Тонкий слой базы, прилегающий к переходу, должен быть высокоомным.

Рисунок 3.9 - Структура варикапа (а) и распределение в ней нескомпенсированных примесей

Рисунок 3.10 - Полная физическая эквивалентная схема варикапа (а), эквивалентная схема на низкой частоте (б) и эквивалентная схема на высокой частоте (в)