Твердотельная электроника.-3

366

Рисунок 5.23. Упрощенная эквивалентная схема (а)

(Rr - внутреннее сопротивление генератора напряженияUBX; Rн - сопротивление нагрузки; RД - отрицательное дифференциальное сопротивление туннельного диода) и графическое пояснение работы (б) усилителя на туннельном диоде(1 - вольтамперная характеристика нагрузки; 2 - вольтамперная характеристика туннельного диода: 3 - суммарная вольтамперная характеристика схемы).

При выборе рабочей точки Р на падающем участке суммарной вольтамперной характеристики схемы небольшие изменения входного напряжения UB X приводят к значительным изменениям тока в цепи и напряжения на выходе

(на сопротивлении RН).

Большинство практических схем усилителей на туннельных диодах - резонансного типа. Одна из возможных схем такого усилителя приведена на рис. 5.24. Колебательный контур здесь образован катушкой индуктивности L1 и емкостью Сд диода. Батарея G1 совместно с резисторами RБ и R1 задает рабочую точку по постоянному току. Дроссель L6 блокирует источник питания по переменному току.

Современные усилители на туннельных диодах работают до частот порядка десятков гигагерц ( l » 1см ).

Туннельный диод в схеме генератора. Генераторы гар-

монических колебаний на туннельных диодах отличаются простотой схемы, малыми габаритами и массой, высокой экономичностью.

367

Рисунок 5.24. Принципиальная схема усилителя на туннельном диоде

Наиболее полно преимущества туннельного диода удается использовать в генераторах диапазона СВЧ, особенно на частотах выше 1 ГГц, где из-за невозможности использования транзисторов приходилось использовать сложные, громоздкие и неэкономичные генераторы на клистронах, лампах бегущей и обратной волны и др. Современные туннельные диоды позволяют генерировать электрические колебания с частотами до 100 ГГц.

Применение туннельного диода в схемах генераторов объясняется тем, что с помощью отрицательного сопротивления туннельного диода можно компенсировать потери в колебательном контуре и получить в нем незатухающие колебания.

Простейшая схема генератора на тунн ельном диоде приведена на рис.5.25.

RД

С1L1

VД Сб

- Е +

Рисунок 5.25. Схема генератора на туннельном диоде

Туннельный диод как переключатель. Переключающей схемой называется такая схема, электрическое состояние которой резко изменяется под воздействием относительно ма-

370

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 (рис. 5.27, б).

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

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

5.8. Фотодиоды

Фотодиод — это фотогальванический приемник излучения без внутреннего усиления, фоточувствительный элемент которого содержит структуру полупроводникового диода.

Принцип действия фотодиода. Действие фотодиода осно-

вано на фотогальваническом эффекте — появлении тока при включении фотодиода в электрическую цепь в результате разделения фотоносителей электрическим полем ОПЗp-n перехода.

Поглощение квантов оптического излучения вp-n переходе сопровождается генерацией электронно-дырочных пар. Если излучение поглощается в квазинейтральныхn- или р- областях на расстоянии, меньшем диффузионной длины, то электроны и дырки достигают p-n-перехода. Потенциальный барьер перехода способствует перемещению электронов из р-области в n-область и дырок в обратном направлении. Если излучение поглощается в ОПЗ, то электроны переносятся

в n-область, а дырки в p-область. В рабочем состоянии к фо-

371

тодиоду приложено напряжение в обратном направлении

(рис.5.28).

Рисунок 5.28. Схема включения фотодиода (а) и его ВАХ (б)

Воздействие света вызывает протекание помимо темнового тока, равного току насыщения для узкозонных полупроводников (InSb, Ge), фототока Iф , который по направле-

нию совпадает с током насыщения. Так как из n- и р- областей в ОПЗ уходят неосновные носители заряда, то они увеличивают обратный ток перехода, ибо именно он образуется за счет неосновных носителей.

При прямом направлении напряжения электрическое поле в ОПЗ не изменяется по направлению, поэтому направление

фототока также остается постоянным и противоположным темновому току. Вольтамперная характеристика фотодиода описывается уравнением

спадает у поверхности, a Ln > w , поэтому почти все фотоно-

сители достигают p-n перехода. При обратном направлении напряжения перенос фотоносителей тождествен переносу неосновных носителей, образующихся в результате термогенерации в р-области, поэтому плотность фототока

b- квантовый выход,

А– площадь p-n-перехода,

w - толщина полупроводника

Это выражение получено в предположении, что все фотоносители достигают р—п перехода и дают вклад в обратный ток.

Для узкозонных полупроводников ВАХ фотодиода при собственном поглощении в приповерхностной области и выпол-

нении условия Ln > w описывается уравнением (5.23), где

Iф определяется формулой (5. 2 5). Для широкозонных полу-

проводников (Si, GaAs, GaP) преобладает обратный темновой

поэтому уравнение ВАХ при обратном направлении напряжения имеет вид

Характеристики и параметры. На рис. 5.29,б. показаны ВАХ фотодиода на основе узкозонного полупроводника. При отсутствии освещения обратный ток равен току насыщения. При освещении он возрастает и тоже практически не зависит от напряжения. Темновая ВАХ проходит через начало координат. При освещении ВАХ сдвигается по оси обратных токов, даже при отсутствии внешнего напряжения на фотодиоде через него протекает обратный ток вследствие проявления фотогальванического эффекта. Рабочий режим фотодиода соответствует принципиальной электрической схеме, показанной на рис. 5.28,а, с внешним источником напряжения, приложенного к

373

фотодиоду в запирающем направлении. Этот режим называют фотодиодным, рабочая область ВАХ фотодиода расположена в третьем квадранте рис. 5.28,б.

Зависимость фототока от потока излучения называют световой или энергетической характеристикой фотодиода. В отличие от фоторезисторов, фототок фотодиодов линейно зависит от потока излучения при обычных уровнях освещенности

что при Ln > w почти все неосновные фотоносители, обра-

зовавшиеся в р-области, дают вклад в фототок. Спектральная характеристика фотодиода (рис.5.29) по-

казывает зависимость чувствительности от длины волны. Граница спектральной характеристики со стороны больших длин волн определяется шириной запрещенной зоны, а коротковолновая граница зависит от толщины облучаемой области и скорости поверхностной рекомбинации. Положение максимума спектральной характеристики зависит от скорости возрастания коэффициента поглощения с уменьшением длины волны.

Iф ,%

Iф max

l, мкм

Рисунок 5. 29. Спектральные характеристики фотодиодов на основе германия и кремния

При более быстром возрастанииa максимум лежит ближе к длинноволновой границе и слабо зависит от толщины облучаемой области.

Преимуществом фотодиодов по сравнению с фоторезисторами является их быстродействие. Если фотодиод освещать

374

диффузии фотоносителей уменьшается во время воздействия светового импульса. Поэтому и нарастание, и спад фототока происходят постепенно и тем сильнее, чем толще р-область, так как при этом увеличивается вклад от разброса скоростей фотоносителей. С увеличением частоты следования импульсов фронт нарастания фототока накладывается на фронт спада фототока от предыдущего импульса. При некоторой частоте фотодиод не успевает различать отдельные импульсы света

— фототок через него становится практически постоянным. При одинаковых толщинах освещаемых областей предельная частота больше у фотодиода с освещаемой р-областью, так как Dn>Dp. Быстродействие фотодиодов в сильной степени определяется возможностями технологии. Получить толщину освещаемой области менее30 ¸ 50 мкм методом сплавления затруднительно, тогда как с помощью диффузии она получается не толще 3 ¸5 мкм, поэтому различие в постоянной времени и быстродействии таких фотодиодов составляет почти

100 раз.

Для повышения быстродействия фотодиодов применяют диффузионные p-i-n структуры с тонкой р-областью, тогда излучение поглощается вi-слое. Высокое быстродействие имеют фотодиоды с переходом Шоттки. Излучение проходит через полупрозрачную металлическую пленку и поглощается в ОПЗ полупроводника. Инерционность фотодиода Шоттки определяется перезарядкой барьерной емкости и временем

пролета ОПЗ: t = d /umax , где для германия и кремния максимальная скорость движения носителей в электрическом поле

375

umax » 5 ×106 см / c и t »10-10 c . Использование узкозонных материалов (InAs, InSb) позволяет сдвинуть длинноволновую границу спектральной характеристики в область4,5 ¸ 5,5 мкм. Для работы этих фотодиодов необходимо охлаждение. На рис. 5.30 показаны конструкции фотодиодов типа ФД-3 и ФД-2.

кристалл

кремния

p-n переход

Рисунок 5.30. Фотодиоды типа ФД-3 (а) и ФД-2 (б)

Широкое применение фотодиодов обусловлено чувствительностью их в видимой, УФ и ИК областях спектра, высоким быстродействием, низкими шумами, долговечностью. Основное применение фотодиоды находят в вычислительной технике в устройствах ввода и вывода информации, фотометрии, автоматике. Перспективно применение фотодиодов в оптоэлектронике.

5.9. Светодиоды

Светоизлучающим диодом (СИД) называют полупроводниковый диод, в котором осуществляется непосредственное преобразование электрической энергии в энергию светового излучения (видимого или инфракрасного) за счет рекомбинации электронов и дырок. В обычных диодах процесс рекомбинации заканчивается выделением энергии в виде квантов тепловых колебаний решетки(фононов) и является безызлучательным. Такую рекомбинацию называют фононной. В струк-