Физика полупроводниковых приборов [РТФ, Смирнов, 4 семестр] / 2_Полупроводниковые диоды

Диоды с накопление заряда (ДНЗ) при переключении прямого напряжения на обратное имеют импульс обратного тока почти прямоугольной формы (время t2 очень мало).

Такой переходный процесс обусловлен наличием встроенного внутреннего электрического поля в базовом слое диода, граничащего с ОПЗ.

Поле образуется вследствие неоднородного легирования базы диода примесными атомами.

Оно направлено из n-области c положительно заряженными донорами в в p-область с отрицательно заряженными акцепторами.

Поле является тормозящим для носителей, инжектированных через ОПЗ при прямом напряжении, и поэтому препятствует их перемещению от границы ОПЗ вглубь базы диода, заставляя инжектированные носители компактнее концентрироваться вблизи границы.

При подаче на диод обратного напряжения происходят процессы рассасывания неосновных носителей заряда, но при этом внутреннее электрическое поле в базе диода будет способствовать перемещению неосновных носителей в ОПЗ, где они захватываются полем p-n-перехода и переносятся либо в n-область (электроны), либо в p-область (дырки).

ДНЗ широко используются в формирователях сверхкоротких импульсов длительностью менее 1 нс. Они применяются в схемах умножения частоты. При воздействии на ДНЗ синусоидального напряжения, вызывающего протекание через диод как прямого, так и обратного токов, форма импульсов обратного тока оказывается резко несинусоидальной. Несинусоидальная форма обратного тока обусловливает появление гармонических составляющих высокого порядка с большой амплитудой. С помощью фильтров сигнал основной гармоники можно ослабить, а сигнал какой-нибудь кратной гармоники (3-й, 5-й и т. д.) усилить.

В стабилитронах используют только лавинный и туннельный пробой. При этом ограничивающий резистор Rогр исключает перерастание этих видов пробоя в тепловой пробой.

Промышленностью выпускаются стабилитроны с Uст от 1,5 до 200 В. Величина Uст определяется Nпр в базе стабилитрона, поскольку уровень легирования влияет на толщину ОПЗ, на напряженность электрического поля в ОПЗ и на механизм пробоя.

Стабилитроны с Uст ≤ 4,5 В имеют высокий уровень легирования, для них характерен туннельный пробой. У стабилитронов с Uст ≥ 7 В уровень легирования низкий, пробой носит лавинный характер.

У стабилитронов с туннельным пробоем с ростом Т уменьшается ΔEg, что увеличивает вероятность туннелирования через барьер, поэтому Uст ↓ .

У стабилитронов с лавинным пробоем с ростом Т уменьшается длина свободного пробега носителей, в результате Uст ↑.

Стабисторы. В стабисторах используется прямая ветвь ВАХ диода. Поэтому в кремниевых стабисторах Uст примерно 0,7 В. Стабисторы имеют отрицательный температурный коэффициент Uст, т. е. напряжение на стабисторе при неизменном токе уменьшается с ростом температуры.

Под варикапом понимают полупроводниковый диод, основанный на использовании зависимости барьерной емкости перехода от напряжения.

Варикапы применяются для электрической перестройки частоты LCконтуров, в параметрических усилителях, генераторах СВЧ-колебаний, в умножителях и делителях частоты, модуляторах частоты, фазовращателях.

Для вариации емкости варикапов используют только обратное напряжение.

По этой же причине не используется диффузионная емкость p-n-перехода.

В этой схеме конденсатор С предотвращает замыкание подаваемого на варикап напряжения через индуктивность L. Емкость конденсатора С должна существенно превышать емкость варикапа Свар. В этом случае общая емкость LC-контура примерно равна Свар.

При прямом напряжении ( «+» - к p-области, «–» - к n-области) уровни В.З. опустятся вниз, а уровни З.П. поднимутся вверх. В результате напртив заполненных уровней З.П. окажутся пустые уровни В.З. Это вызовет туннелирование электронов из В.З. в З.П. и протекание туннельного тока jт, направленного в прямом направлении из p-области в n-область.

Рост jт будет до тех пор, пока U не достигнет U1 (рис. б). С ростом U от U1 до U2 ток jт будет уменьшаться (рис. в) до значения I2.

При дальнейшем росте U ток через переход будет возрастать, т.к. понижение потенциального барьера вызовет протекание диффузионного тока, который для p-n-переходов определяет прямую ветвь ВАХ (рис. д).

Если туннельный диод включен в обратном направлении, то уровни в p- области сместятся вверх, а энергетические уровни в n-области – вниз. Это вызовет протекание туннельного тока из n-области в p-область (рис. е).

Главной особенностью туннельных диодов является наличие на ВАХ участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением . С его помощью скомпенсировать рассеивание энергии в обычных активных сопротивлениях.

Например, в колебательном контуре с помощью туннельного диода можно получить незатухающие колебания.

Туннельные диоды используют в усилителях, генераторах и смесителях в широком диапазоне длин волн вплоть до миллиметровых.

На туннельных диодах проектируют различные импульсные устройства, например, триггеры и мультивибраторы с очень малым временем переключения.

Принцип действия туннельных диодов связан с туннелированием электронов через потенциальный барьер. Процесс этот является безинерционным, продолжительность его составляет 10-13–10-14 с.

Эффекта накопления неосновных носителей в базе туннельных диодов практически нет, так как они используются при малых напряжениях, соответствующих участку ВАХ с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Верхний предел частотного диапазона работы туннельных диодов ограничен лишь наличием собственной емкости диода, которая мала. Это позволяет делать генераторы с рабочими частотами порядка 30–100 ГГц.