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

■во втором случае электроны (или дырки) переходят из зоны про­ водимости (валентной) одной области в ту же самую зону другой области. На рис. 2.34в вольтамперная характеристика туннельного

Для выяснения физических процессов, протекающих в туннель­ ном диоде, необходимо рассмотреть зонные диаграммы для раз­ личных напряжений, приложенных к диоду. Туннельный переход

Плотность вакансий соответствует расстоянию между кривыми 2 и

.Pn(W) в зоне проводимости и кривой 1 и линией 4 в валентной зоне.

Туннельный ток, протекающий сквозь переход, пропорционален произведению плотности занятых электронами уровней с той сто­ роны барьера, где электроны начинают свое движение, на плот­ ность вакансий с противоположной стороны барьера. Электроны проходят сквозь барьер в обоих направлениях. Поэтому для опре­ деления результирующего туннельного тока следует разбить плот­ ности заполненных уровней и .вакансий на элементарные энергети­ ческие слои шириной AW', найти произведения числа заполненных уровней в п-области на число вакансий в p-области и, наоборот, числа заполнённых уровней в p-области на число вакансий, в я-об-

.ласти для каждого слоя и произвести суммирование по всем слоям в пределах интервала перекрытия зон. Полученную сумму нужно умножить на вероятность туннельного перехода, которая тем боль­ ше, чем уже переход и чем меньше ширина запрещенной зоны, оп-

160

ределяемая материалом полупроводника. Очевидно, что в случае равновесия (U = 0) противоположно направленные составляющие' туннельного тока окажутся одинаковыми вследствие симметрии диаграммы относительно WF, и результирующий ток будет равен нулю.

Для упрощения построения зонных диаграмм в дальнейшем' будем предполагать, что в зоне проводимости п-области все энер­ гетические уровни от дна зоны до уровня Ферми целиком заполне­ ны электронами, а все уровни, выше уровня Ферми, целиком сво­ бодны (нет штриховки). В валентной зоне p-области все энергети­ ческие уровни от потолка зоны до уровня Ферми будем считать целиком свободными от электронов, в то время как все уровни,, лежащие ниже уровня Ферми,— целиком заполненными. Подобная идеализация вполне допустима при рассмотрении принципа дейст­ вия туннельного диода.

При указанном допущении в случае /7=0 (рис. 2.36а) ток че­ рез диод протекать не будет, так как свободным уровням в одной" области соответствуют на той же высоте свободные уровни в дру-

Рис. 2.36. Идеализированные энергетические диаграммы туннель­ ного диода:

той области; равным образом, заполненным уровням в одной обла­ сти, соответствуют затолценные уровни и в другой области.

На рис. 2.366 приведена диаграмма для случая прямого напря­ жения 0<Н<сН[. Здесь уровень Ферми в «-области выше, чем в р-области, и поток электронов переходит из п-области в р-область. Величина этого прямого тока определяется степенью перекрытия свободных уровней в валентной зоне и заполненных уровней в зоне проводимости. С увеличением прямого напряжения это перекрытие расширяется и при U= Ui (рис. 2.36е), когда уровень потолка ва­ лентной зоны p-области совпадает с уровнем Ферми в зоне прово­ димости «-области, достигает максимального значения; туннельный

в п-области перекрытие уровней сокращается и уменьшается число переходов электронов в p-область. Наконец, потолок валентной зо­ ны совпадает с дном зоны проводимости (рис. 2.366), перекрытие зон прекращается, и туннельный ток становится равным нулю при напряжении U=Uo. При этом напряжении появляется обычный диффузионный ток инжекции через р-п-переход, когда дырки с большими энергиями начинают переходить через энергетический барьер из валентной зоны р-области в валентную же зону «-обла­ сти, а во встречном направлении из «-области в p-область инжек­ тируются электроны в зоне проводимости. Однако вблизи миниму­ ма тока / 2 (рис. 2.34а) и несколько правее в диоде основную роль играет избыточный ток, вызываемый переходом электронов из зоны проводимости «-области на свободные ловушечные уровни в сред­ ней части запрещенной зоны, а оттуда на свободные энергетические

152

ложенным напряжением. Энергетические зоны раздвигаются, и по­ является возможность перехода электронов с заполненных уровней валентной зоны ^-области на свободные уровни зоны проводимое™ п-области. Через диод потечет большой обратный ток в направле­ нии от п-области к р-области.

Туннельный диод характеризуется следующими основными па­ раметрами (рис. 2.34а):

—отношением токов в максимуме и в минимуме вольтамперной характеристики Л//2;

—отрицательной дифференциальной проводимостью на участ­ ке AB в точке максимума производной;

—напряжением переключения ДUn=Ü 3—ТА, которое опреде­ ляет возможный скачок напряжения на нагрузке при работе тун­ нельного диода в схеме переключения;

—барьерной емкостью C(Uz) диода, которая обычно измеряет­ ся при минимуме тока. Емкость в максимуме тока равна C(Ui) Ä;

f&0,8C(U2).

Эквивалентная схема туннельного диода, соответствующая ра­ бочему участку AB с отрицательной проводимостью, представлена на рис. 2.38. Для других участков вольтамперной характеристики схема остается такой же, но дифференциальная проводимость пе­ рехода становится положительной. Помимо емкости С и дифферен­ циальной проводимости перехода G, в схему входят последователь­ ное сопротивление потерь г, включающее сопротивление р- и п-об­ ластей, контактов и подводящих проводов, и индуктивность L вы­ водов, корпуса и кристалла.

Емкость перехода при толщине последнего порядка ІО-2 мкм составляет С= 30э-50 пФ. Так как от величины емкости зависятчастотные свойства туннельного диода, ее стремятся сделать мини­ мальной. Величина отрицательной дифференциальной проводимо­ сти G определяется углом наклона падающего участка вольтампер­ ной характеристики; обычно она находится в пределах от единицы до сотых долей сименса. Индуктивность L (порядка ІО-10 Г) яв­ ляется іпаразитныім параімегром, тан как опраіннчивает собственнуюрезонансную частоту соо Для уменьшения L контакты осуществляютмембраной, прижимом массивного электрода и т. п. Величина г из­ меряется десятыми долями ом и единицами ом. Полное сопротив­ ление схемы при данной частоте м

где R= 1/G.

Приравнивая нулю действительную часть полного сопротивле­ ния, наводим предельную частоту, на которой туннельный диод, способен генерировать колебания:

/п р е д — 2 л RC

153'-

Максимальное значение предельной частоты / маКс = 1/4ягС по­ ручается при R— 2r. Следовательно, частотные свойства туннель­ ного диода определяются постоянной времени гС.

Уменьшать емкость С путем уменьшения площади перехода не-, целесообразно, так. как при этом уменьшается и пиковый ток / t, что увеличит отрицательное сопротивление, и, следовательно, пре­ дельная частота останется без изменения. Таким образом, при уменьшении С ток А должен оставаться неизменным, поэтому ка­ чество туннельного диода удобно характеризовать отношением / і/С. В настоящее время туннельные диоды изготовляют из герма­ ния, кремния, арсенида галлия и других полупроводниковых соеди­ нений. Наиболее перспективным материалом является арсенид гал­ лия, обладающий наилучшими параметрами. На рис. 2.39 приве­

ми особенностями, а не временем прохождения электронами р-п-ие- рехода, составляющим около ІО-13 с:

— высокая температуростойкость; у арсенид-галлиевых тун­ нельных диодов рабочая температура достигает 400°С Возмож­ ность работы туннельных диодов при более высоких температурах по сравнению с обычными диодами объясняется тем, что в них ис­ пользуется вырожденный полупроводник с большой концентра­ цией примесей. При большой концентрации примесей концентра­ ция электронов велика и влияние собственной электропроводности сказывается при более высоких температурах;

—низкий уровень шума;

—большая плотность тока, свойственная туннельному эффек­ ту, достигающая 103-РІ04 А/см2

Как недостаток, следует отметить малую мощность туннельных

.диодов из-за низких рабочих напряжений и малых площадей пе­ рехода.

Обращенный полупроводниковый диод

Обращенный диод применяют в качестве детектора слабых сигналов на свч и ограничителя; кроме того, его можно ис­ пользовать вместо точечных свч смесительных диодов.

Д64

Принцип действия обращенного диода также основан на тун­ нельном перемещении электронов сквозь энергетический барьер.. Концентрация примесей в его р- и /г-областях подбирают такой,, чтобы при отсутствии внешнего напряжения дно зоны проводимо­ сти /г-области и потолок валентной зоны /г-области совпадали бы в- зонной диаграмме по высоте, т. е. полупроводниковые области на­ ходились бы на грани вырождения. В этом случае при приложениипрямого напряжения, когда дно зоны проводимости /г-области под­ нимается выше /г-области, туннельный ток отсутствует и прямая ветвь вольтамперной характеристики обращенного диода подобна участку характеристики обычного диода, на котором прямой ток определяется инжекцией носителей через /?-/г-переход. Если же к обращенному диоду приложить обратное напряжение и сместить дно зоны проводимости /г-области на диаграмме вниз так, чтобы зоны перекрывались, то появится значительный обратный туннель­ ный ток, созданный перемещением электронов сквозь барьер из p-области в /г-область.

На рис. 2.40а приведена зонная диаграмма обращенного диодадля случая обратного напряжения (заштрихованные области пол-

Rite. 2.40. К пояснению работы обращенного диода:

а) зонная диаграмма; б) вольтамперная характеристика

ностыо заняты электронами), а на рис. 2.406 — его вольтамперная; характеристика. При работе обращенного диода его ветвь обратно­ го тока используется как «проводящий» участок,-и соответственно­ прямой ток при напряжениях 0 < . £ / < £ / 2 принимается за обратный. Отсюда и название-— обращенный диод. Для'сравнения на том же- рисунке-пунктирной линией показана характеристика туннельного диода. Параметры обращенных диодов те же, что и туннельных.. Специфическим параметром обращенного диода, является крутиз­ на обратной ветви характеристики.

155'.

Диод с барьером Шоттки

Диоды с барьером Шоттки находят применение как •сверхбыстродействующие импульсные приборы, детекторы и сме- ■сители на свч (на частотах до 50 ГГц). Диод с барьером Шоттки вы­ полнен на основе контакта металл—полупроводник. Основные мате-

.матические соотношения, описывающие электрические характерис­ тики этого контакта, были получены немецким исследователем Шоттки, вследствие чего подобную структуру стали называть барье­ ром Шоттки.

Структура меза-днода с барьером Шоттки показана на рис. 2.41. Базу прибора выполняют из сильно легированного кремния с элек­

гкремния и золота образуется выпрямляющий контакт с контактной разностью потенциалов £/к=фом—ф^.

Энергетическая диаграмма контакта металл—полупроводник приведена на рис. 2.42а. Благодаря разности работ выхода метал­ ла и полупроводника между ними происходит обмен электронами. -Электроны из полупроводника, имеющего меньшую работу выхода, переходят в металл с большей работой выхода. В равновесном со­ стоянии (рис. 2.42а) металл заряжается отрицательно, в результа­ те чего возникает электрическое поле, прекращающее однородный переход электронов.

456

2.6. ТРАНЗИСТОРЫ Устройство и принцип действия

Транзистор представляет собой электропреобразова­ тельный полупроводниковый прибор с одним или несколькими электрическими переходами, имеющий три или более выводов, пригодный для усиления мощности'1). іВ зависимости от числа вы­ водов транзисторы делятся на полупроводниковые триоды и по­ лупроводниковые тетроды. По принципу действия различают транзисторы, в которых используется инжекция носителей заря­ да через р-/г-переход (бездрейфовые и дрейфовые), и транзисто­ ры без инжекции ’ (полевые). ІТнжекционные транзисторы назы­ вают также биполярными, так как в процессе переноса тока здесь участвуют два вида носителей заряда — основные и неосновные, а полевые — униполярными, поскольку они работают только с ос­ новными носителями. Полевые транзисторы по типу управления делятся на транзисторы с р-п-переходом и с изолированным за­ твором. В бездрейфовых транзисторах неосновные носители пере­ носятся через базовую область, главным образом, посредством диффузии, в то время как в дрейфовых транзисторах этот пере­ нос осуществляется, главным образом, посредством дрейфа но­ сителей под действием внутреннего электрического поля в базе. В полевых транзисторах поток основных носителей заряда дрей­ фует вдоль ускоряющего электрического поля в управляемом канале.

По конструкции современные транзисторы выполняют исклю­ чительно плоскостными; точечные транзисторы, вследствие ряда недостатков (главным образом, из-за нестабильности работы), в настоящее время не применяются и промышленностью не выпу­

Транзистор имеет три области: эмиттер Э с дырочной электропро­ водностью, базу Б с электронной электропроводностью и коллектор К с дырочной электропроводностью. Переход между эмиттером и базой называется эмиттерным, а между базой и коллектором — коллекторным. Общей точкой схемы является вывод базы.*•

') Термин «транзистор» образован соединением первых букв словір «transter»- (передача) и последних букв слова «resistor» (сопротивление).

•г) Направление стрелки в линии эмиттера указывает на направление дви- . жения дырочного тока.

1:58

Во внешней цепи между выводами эмиттера и базы включено малое прямое напряжение І7Эб порядка нескольких десятых долей вольта. Если пренебречь падением напряжения в областях эмитте­ ра и базы, то это напряжение окажется приложенным к эмиттерному переходу и уменьшит высоту энергетического барьера в нем на величину qU3G, создав тем самым возможность инжекции основных

носителей заряда через эмиттерный переход. Во внешней цепи ме­ жду выводами коллектора и базы включено обратное напряжение 'UKQ величиной от нескольких вольт до сотен вольт, которое при­ кладывается к коллекторному переходу и увеличивает в нем (на величину qilКб) высоту энергетического барьера, в результате чего его электрическое поле усиливается.

Базу выполняют в виде очень тонкой области толщиной при­ мерно 10—25 мкм, а в высокочастотных транзисторах — даже 1— 2 мкм. Обозначения напряжений в цепях транзистора снабжают двумя индексами, указывающими на электроды, между которыми включено данное напряжение, причем второй индекс всегда отно­ сится к общему электроду схемы.

На рис. 2.4'Зв представлен полупроводниковый триод, имеющий

обратное — на коллекторном.

Существуют три схемы включения полупроводниковых триодов:

базой и общим эмиттером. Во всех этих схемах полярность источ-

459