книги из ГПНТБ / Кушманов И.В. Электронные приборы учеб. пособие

Кремниевые точечные полупроводниковые диоды по конструк­ ции почти не отличаются от германиевых. Контактные проволочки содержат примесь алюминия для создания р-п-перехода.

На рис. 2.256 представлена вольтамперная характеристика гер­ маниевого точечного полупроводникового диода. На начальном участке прямой ветви характеристика совпадает с теоретической (с учетом падения напряжения на сопротивлении г); при более вы­ соких прямых напряжениях характеристика становится прямоли­ нейной и, наконец, если г окажется больше прямого сопротивле­ ния R перехода, прямой ток будет определяться сопротивлением г. Величина г может быть порядка 1 кОм. В области обратных на­ пряжений насыщение отсутствует, что, в частности, объясняется умножением носителей в результате удаірной ионизации, которой способствует неоднородность электрического поля точечного кон­ такта.

Импульсные полупроводниковые диоды

В случае подачи на диод коротких импульсов напря­ жения длительностью порядка единиц или долей микросекунды не­ обходимо учитывать инерционность его включения и выключения, обусловленную переходными процессами. При протекании прямого

р-п-перехода и обусловлено так называемым эффектом накопления заряда. Накопленный заряд и обусловливает кратковременный «выброс» обратного тока до значения /п (рис. 2.26а).

140

Кратковременное увеличение обратного тока приводит к тако­ му же кратковременному уменьшению дифференциального обрат­ ного сопротивления R0бР—Д/обр/АНобр импульсного диода. Для восстановления стационарного обратного сопротивления требуется некоторое время, называемое временем восстановления обратного сопротивления диода т ВОсст- Это промежуток времени от момента, когда ток через диод равен нулю, до момента, когда его обратный

протекал прямой ток. В момент ^=0 напряжение, приложенное к •переходу, изменяет знак на обратный. С этого момента переход пе­ рестает инжектировать дырки в базу (их распределение вдоль ба­ зы соответствует кривой 1). Под воздействием отрицательного на­ пряжения он захватывает дырки, попавшие в его поле. Происходит рассасывание 'накопленных дырок. Уменьшение их концентрации особенно заметно на границе перехода (кривая 2 для момента вре­ мени Ö < f< fi). Концентрация дырок уменьшается также вследст­ вие их рекомбинации с электронами по всей длине базы.

С момента переключения диода и до момента времени t\ в цепи существует неизменный ток, который иногда называют током «по­ лочки» /п. Величина этого тока ограничивается внешним сопротив­ лением нагрузки и поддерживается зарядом уходящих через пере­ ход дырок до момента времени ti (кривая 3). Далее заряд уходя­ щих через переход дырок становится недостаточным для поддер­ жания тока (кривая 4) и обратный ток спадает, стремясь к стацио­ нарному значению / 0вр при 4 = т Восст (распределение дырок по кри­ вой 5). Последний случай соответствует равновесному состоянию для концентрации дырок в базе.

141

С увеличением уровня инжекции число дырок, накопленных в базе диода, а следовательно, и время восстановления обратного сопротивления возрастают: обратный ток в диоде с узкой базой опадает быстрее, чем в диоде с широкой базой и в точечном диоде быстрее, чем в плоскостном, за счет того, что уменьшается объем накопления заряда. Кроме того, дырки рекомбинируют на контак­

те вывода базы, т. е. в диоде с узкой базой носители рассасываются в обе стороны.

Рассмотрим прохождение через диод импульса прямого тока (рис. 2.26о). В первый момент после включения диода напряжение на нем резко возрастает, что ооъясняется высоким сопротивлением базы. По мере увеличения числа инжектированных носителей это сопротивление уменьшается до значения, определяемого прямым током. Промежуток времени, в течение которого прямое сопротив­ ление устанавливается равным 1,2 своего стационарного значения, называется временем установления прямого сопротивления перехо­ да ТустПри выключении прямого тока на переходе какое-то время остается некоторое напряжение, обусловленное инжектированными носителями, которые исчезают в результате рекомбинации.

Помимо Туст и Твосст к параметрам импульсных диодов относит­ ся также импульсное сопротивление Rmm= £/пр. ими. макс/Лір. ими- Для импульсных полупроводниковых диодов также указываются в справочниках постоянное прямое напряжение Unp при протекании постоянного тока /щ, заданной величины и обратный ток /оор при приложении обратного напряжения Нобр заданной величины. Пре­ дельные режимы характеризуются максимально допустимым обрат­ ным напряжением t/o6p. макс и максимально допустимым импуль­ сом ПрЯМОГО ТОКа / п р . Н М Л . макс-

Основные требования, предъявляемые к импульсным диодам, следующие: небольшая площадь р-/г-перехода, минимальное время жизни неосновных, неравновесных носителей в базе, низкое сопро­ тивление материала полупроводника. Технология изготовления им­ пульсных полупроводниковых диодов не отличается от технологии обычных выпрямительных диодов, за исключением лишь того, что импульсные диоды должны иметь меньшую площадь перехода для уменьшения его емкости. Иміпульсіные диоды изготовляют либо то­ чечными, либо с мезаструктурой (с уменьшенной Площадью пере­ хода). Часто для уменьшения времени жизни неравновесных носи­ телей применяют кремний, легированный золотом.

Диоды с накоплением заряда

Плоскостные сплавные диоды при работе в импульс­ ном режиме не обладают высоким быстродействием. Лучшие ре­ зультаты в этом смысле дает применение диодов, в которых р-п-пе­ реход получен методом диффузии примеси. Эффект накопления за­ ряда в базе такого диода выражен более резко, чем в сплавном. Однако здесь это не является недостатком, а, напротив, целенаправ-

142

ленңо используется для улучшения импульсных параметров диода. С помощьюПОМОЩЬЮ диода, изготовленногоИЗГШиьленнши методомтсіидш« диффузии примеси, —мо~­

жно формировать импульсы с крутыми фронтами на ветви обратно­

го тока (рис. 2.28в). Применяемые для"° этойа,гг, цели,,рп дпиодыпл называ-­

Ваза

стью Е = —dU/dx, направленное в сторону уменьшения х. Это элек­ трическое поле вызовет, в свою очередь, дрейфовый поток электро­ нов, направленный навстречу диффузионному потоку и равный

пцпЕ. При равновесии ri\inE = Dndnldx. Так как п=Мя и Dn = =èT/qiin, то

q УѴд dx

Аналогично в дырочном полупроводнике градиент концентра­ ции примеси приведет к возникновению электрического поля, на­ правленного в сторону возрастания концентрации примеси.

Упоминавшееся выше внутреннее электрическое поле будет про­ тиводействовать потоку неравновесных неосновных носителей, ко-

143

торые начнут инжектироваться через переход в полупроводник с неравномерным распределением примеси, если этот поток направ­ лен в сторону возрастания ее концентрации. В результате при при­ ложении к диоду прямого напряжения (рис. 2.28а) инжектиро­ ванные из эмиттера в базу неравновесные .носители — дырки — будут скапливаться в его базе у границы р-п-перехода, так как тор­ мозящее электрическое поле, противодействует их диффузии вглубь базы. Благодаря наличию^ тормозящего поля накопленные заряды образуют плотный пакет, прижатый к р-п-переходу. При подаче на диод импульса обратного напряжения U0вр накопленные дырки

.уходят в переход и создают большой обратный ток 4 (рис. 2.286). Величина этого тока ограничивается сопротивлением нагрузки Он протекает в течение интервала времени 4, необходимого для ухода всего пакета накопленных дырок. .После ухода пакета дырок

концентрация неравновесных дырок в базе оказывается малой и ток через диод уменьшается (в течение времени 4 ) до своего ста­ ционарного значения /'0бр-

Главное отличие диода с накоплением заряда от сплавного за­ ключается в том, что время 4 У него гораздо меньше, чем у сплав­ ного. Это позволяет формировать прямоугольные импульсы тока с очень крутыми фронтами на ветви обратного напряжения (рис. 2.28в). У сплавных импульсных диодов отношение 4 /4 , определяю­ щее крутизну фронта восстановления обратного тока, порядка еди­ ницы и меньше. .В диффузионных же импульсных диодах отноше­ ние 4/4 порядка 30-=-50. Возможно также использование диодов с накоплением заряда и в схемах так называемых диодных усили­ телей тока. Принцип их действия основан на том, что заряд накап­ ливается в течение длительного времени, а рассасывается быстро, создавая большой ток.

Основные требования, предъявляемые к диодам с накоплением заряда, те же, что и для обычных импульсных: малая емкость пе­ рехода и минимальное сопротивление базы, для чего площадь пере­ хода и толщину базы выполняют малыми. В отличие от импульс­ ных диодов, в которых время жизни неравновесных носителей за­ ряда Тр для увеличения скорости рекомбинации выбирают малым, в диодах с накоплением заряда тр должно быть достаточно вели­ ко, чтобы «удержать» накопленный заряд. Для уменьшения пло­ щади перехода до ІО-5 см2 в случае работы в наносекундном диа­ пазоне используют мезаили планарно-эпитаксиальную техноло­ гию. Следует указать, что эффект резкого восстановления обрат­ ного сопротивления в той или иной степени присущ любому полу­ проводниковому диоду с диффузионным р-п-переходом.

Полупроводниковые стабилитроны

Назначение стабилитрона—стабилизировать .напряже­ ние на присоединенной параллельно ему нагрузке в случае изме­ нения ее сопротивления или напряжения источника питания. Полу-

144

проводниковый стабилитрон представляет собой плоскостной диод, выполненный из сильно легированного кремния. Для р,аботы.стаби­ литрона используется участок пробоя на обратной .вцтви вольтамперной характеристики, в пределах которого весьма малые измене­ ния обратного напряжения вызывают резкие изменения обратного тока.

В случае большой концентрации примесей переход получается тонким и в нем возникает электрическое поле большой напряженно­ сти, которое вызывает туннельный пробой. При меньшей концентра­ ции примесей и соответственно при большей толщине перехода ха­ рактер пробоя меняется на лавинный. Величина напряжения пробоя непосредственно связана с удельным сопротивлением материала. Чем выше степень легирования, тем меньше пробивное напряжение. Стабилитроны на низкие напряжения стабилизации изготовляют из низкоомного материала, а высоковольтные — из высокоомного мате­ риала. В высоковольтных стабилитронах переход имеет значитель­ ную ширину и лавинный пробой в них начинается раньше, чем на­ пряженность поля достигнет величины, необходимой для пробоя полем, т. е. туннельного. В широком диапазоне напряжений (от 8 до 200 В) пробой в стабилитронах является лавинным. В области от 6 до 8 В пробой определяется действием как лавинного, так и тун­ нельного механизмов. При напряжениях ниже 6 В можно считать, что лавинный механизм пробоя уже не действует и существует толь­ ко туннельный пробой.

В настоящее время разработано и выпускается большое количе­ ство стабилитронов различных типов на основе кремния с напряже­ нием стабилизации от 3,5 до 200 В мощностью -от 250 мВт до 50 Вт.

Вольтамперная характеристика полу­ проводникового стабилитрона пред­ ставлена на рис. 2.30. Вначале лавин­ ный процесс неустойчив, временами срывается и лишь при значении тока порядка 0,2-^0,3 мА становится устой-

ков стабилитрона выбирают от /міпь ОП-

Рис. 2.31. Схема включения рактеристики стабилитрона при стабилитрона различныхтемпературах

ределяемого необходимой устойчивостью работы, до / макс. опреде­ ляемого максимально допустимой рассеиваемой мощностью.

146

Стабилитрон присоединяют параллельно нагрузке Д„, а последо­ вательно с «иім включают резистор ДСт (рис. 2.31). Резистор ДСт является •принципиальным элементам схемы. Без него схема не может .выполнять функции стабилизатора. При изменении ,величи­ ны тока, протекающего через резистор, падение напряжения на нем меняется так, что выходное напряжение оказывается стабилизиро­ ванным. Причиной изменения тока, как уже указывалось, может быть как изменение напряжения источника питания, так и измене­ ние сопротивления нагрузочного резистора.

Принцип действия описанного устройства следующий. Допу­ стим, что сопротивление нагрузки уменьшилось, в результате чего ток нагрузки, а следовательно, и падение напряжения на стабили­ зирующем резисторе увеличились. Это вызовет уменьшение паде­ ния напряжения на стабилитроне и тока через него. Таким обра­ зом, увеличение тока через нагрузочный резистор приводит к уменьшению тока через стабилитрон. Это, в свою очередь, позво­ ляет сохранить приблизительно неизменным напряжение ма на­ грузке, несмотря на изменение сопротивления нагрузочного рези­ стора. Иными словами, изменение тока через стабилитрон равно по величине, но противоположно по знаку изменению тока в на­ грузке. Аналогичные процессы протекают в схеме и при изменении

На основе полученных выражений строим на графике с харак­ теристикой стабилитрона (рис. 2.32) нагрузочную прямую. На том же графике отложена кривая максимальных значений обратного

\-1 полагается в пределах участка AB, на­

146

Параметрами стабилитронов являются: напряжение стабилиза­ ции £/ст; дифференциальное сопротивление в рабочей точке ^ д=

=ДU/AI, характеризующее степень стабилизации, статическое со­ противление в рабочей точке RC=\U/I, коэффициент качества Q=

=Rn/Rc и температурный коэффициент напряжения стабилизации ТКН, равный отношению относительного изменения напряжения стабилизации к абсолютному изменению температуры окружающей среды; ТКН определяется-в процентах на 1°С.

Для низких напряжений стабилизации ТКН имеет отрицатель­

ное значение, так как вероятность туннельного пробоя возрастает с повышением температуры. При более высоких напряжениях ста­ билизации, когда пробой принимает лавинный характер, повыше­ ние температуры приводит к увеличению напряжения стабилиза­ ции. Это объясняется тем, что с ростом напряжения увеличивается тепловое рассеяние носителей заряда и уменьшается длина их сво­ бодного пробега, поэтому для получения нужной энергии необхо­ дима большая напряженность электрического поля. Величина ТКН имеет порядок десятых и сотых долей процента на 1°С. Тем­ пературная стабилизация может осуществляться путем последова­ тельного включения со стабилитроном соответственно подобран­ ного термистора или германиевого диода, включенного в прямом направлении.

Конструкция стабилитронов аналогична конструкции выпрями­ тельных диодов.

Варикапы

Варикапы применяют в качестве конденсатора с элек­ трически управляемой емкостью. Их можно использовать, напри­ мер, для электронной перестройки резонансных систем.

Варикап представляет собой полупроводниковый диод, на ко­ торый подается обратное напряжение, определяющее среднее зна­

малое сопротивление потерь.

Основными параметрами варикапа являются: емкость при но­ минальном напряжении смещения, максимальное напряжение сме­ щения, добротность, которая на низких частотах определяется как Q='(x)CoR, а на высоких — как отношение реактивного сопротивле­

147

вале напряжений Смакс/Смпн и, наконец, температурный коэффи­ циент емкости TKQ, равный 1/СодСо/дТ, характеризующий измене­ ние емкости при изменении температуры.

Варикапы изготовляют в виде точечных диодов или в виде пло­ скостных диодов с тонкой базой (порядка 20 мкм): низкочастот­ ные варикапы для получения малых обратных токов выполняют из кремния. Для высокочастотных параметрических варикйпов ис­ пользуют обычно германий, обладающий большой подвижностью носителей и что уменьшает г (или арсенид галлия, у которо­ го р„ еще больше). Эффект изменения емкости в зависимости от напряжения используется и для целей умножения частоты. Прин­ цип действия таких устройств основан на нелинейных свойствах емкости электронно-дырочного перехода. Диоды, работающие на этом принципе, называют варакторами. Варакторами же часто на­ зывают и диоды, предназначенные для параметрического усиления сигнала.

Туннельные диоды

Туннельный диод относится к группе полупроводни­ ковых приборов, вольтамперные характеристики которых имеют участок, соответствующий отрицательному дифференциальному со­ противлению прибора. Туннельный диод применяется как много­ функциональный прибор (усиление, генерация, переключение и др.) для работы преимущественно в области свч. Он может работать и на более низких частотах, однако его эффективность в этом слу­ чае значительно ниже, чем, например, транзистора.

Туннельный диод-создается на основе вы.рожденяото полупро­ водника. При его изготовлении как в p-область, так и в «-об­ ласть вводят легирующие примеси в очень большой концентрации (примерно 1019—ІО20 см-3, что на 2 —3 порядка выше, чем в обыч­ ных диодах). Вследствие этого ширина d-перехода весьма мала — порядка 0,01 мкм. Внутри перехода возникает электрическое поле напряженностью £=/105—.ІО6 В/см.

В основе работы туннельного диода лежит туннельный эффект, сущность которого заключается в том, что электрон, обладающий энергией, меньшей, чем высота потенциального барьера, может про­ никнуть с некоторой вероятностью сквозь этот тонкий потенциаль­ ный барьер. Электрон как бы пользуется своеобразным туннелем, чтобы пройти сквозь барьер, не поднимаясь над его уровнем. Этот процесс происходит очень быстро (со скоростью света).

На рис. 2.34а приведена вольтамперная характеристика тун­ нельного диода. Особенность этой характеристики заключается в следующем. В области обратных напряжений обратный ток растет очень быстро с повышением напряжения, т. е. туннельный диод обладает весьма малым обратным дифференциальным сопротивле­ нием. В области прямых напряжений с увеличением напряжения прямой ток сначала растет до пикового значения /ц при напряже-

148

иии Ui в несколько десятков милливольт, а затем начинает умень­ шаться (участок AB, в пределах которого туннельный диод обла­ дает отрицательной проводимостью G (рис. 2.346). Ток спадает доминимального значения І2 при напряжении ~U2 порядка нескольких:

личиваться с ростом напряжения.

Ток, протекающий через туннельный диод, содержит пять со­

электронов из валентной зоны p-области в зону проводимости п-об­ ласти;

—туннельный ток / п->-р, обусловленный туннельным переходом электронов из зоны проводимости п-области в валентную зону р- области;

—дрейфовый ток неосновных носителей обеих областей через, р-п-перехрд Іт;

—диффузионный ток основных носителей обеих областей через-

p-rt-переход / д „ ф ;

— так называемый избыточный ток, который можно рассмат­ ривать как частный случай тока Іп-+р — туннельного перехода но­ сителей с использованием разрешенных (примесных или дислока­ ционных) уровней в запрещенной зоне.

Таким образом, результирующий ток через переход / = /„_^р—

Iр-*п ~Т/диф— /др-

Подчеркнем различие между туннельными токами сквозь барь­ ер и дрейфовым и диффузионным токами через барьер; в первом случае электроны переходят из валентной зоны одной области в зону проводимости другой области или в обратном направлении;

1491