книги из ГПНТБ / Власов В.Ф. Электронные и ионные приборы Учеб.пособие для радиотехн.вузов и фак

Этим объясняется, почему в применявшихся 30—40 лет то­ му назад кристаллических детекторах (рис. 22,1), отличавших­ ся неоднородным строением, приходилось подбирать, «искать», наиболее чувствительную точку контакта.

Изменением положения металлического острия по существу подбиралась для ра­ боты та микрообласть контакта, где мог образоваться наиболее сформированный электронно-дырочный переход. Состояние последнего вследствие различных внеш­ них воздействий не оставалось постоян­ ным и поэтому точку контакта приходи­ лось время от времени менять.

Всовременных диодах микрообласть

сдырочной проводимостью образуется у точечного контакта при так называемой формовке, осуществляемой путём пропу­ скания через контакт кратковременного

ceKj мощного импульса тока, что, по-видимому, связано с

возникающим при этом нарушением правильной структуры кристалла, появлением, как говорят, «дефектов» в кристалле.

Экспериментальное доказа­ тельство появления дырочной микрообласти при формовке было проведено следующим об­ разом '). К контактной игле приваривалась металлическая нить, которая внезапно нагре­ валась током до температуры 500—600°. При этом возникала разность температуры и тепло­ вой фронт перемещался по иг­ ле к кристаллу. При наличии р-п перехода тепловой фронт должен проходить в кристалле последовательно области с раз­ личными типами проводимости, что должно приводить к изме­ нению знака термоэдс.

На рис. 22.10 показаны полученные экспериментально на электронном кремнии осциллограммы термоэдс контакта до фор­ мовки и после формовки. При прохождении теплового фронта через неформованный контакт величина термоэдс монотонно нарастает по мере нагревания контакта, не меняя своего знака

') В. Г. М е л ь н и к , И. Г. М е л ь н и к и С. С. Г у т и н. «Об электронноцырочном переходе в точечных твердых выпрямителях». ДАН СССР, т. 121. № 5, 1958, стр. 852—854.

600

(рис. 22.10а). Если, же контакт предварительно прошёл фор­ мовку, то при прохождении через него теплового фронта вначале возникает термоэдс обратного знака (рис. 22.106), которая спа­ дает по мере продвижения теплового фронта в толщу полупро­ водника, меняет знак и монотонно возрастает до установившего­ ся значения. Этот опыт показывает, что после формовки вблизи от острия возникает тонкий слой р-проводимости, при прохож­ дении через который теплового фронта и наблюдается обратный знак термоэдс (выброс вниз). На рис. 22.10 показаны также вольтамперные характеристики контакта до формовки (в) и после формовки (г), из которых следует, что формовка сущест­ венно повышает обратное сопротивление контакта и улучшает его выпрямляющее действие.

Из различных типов выпрямляющих контактов в полупро­ водниковой электронике применяются преимущественно кон­ такты двух полупроводников с различными типами проводимо­ сти (р-п переходы), как наиболее эффективные. Эти контакты осуществляются либо в виде плоскостного контакта двух полу­ проводников типов р и п, либо в виде точечного контакта ме­ таллического острия с микрообластью электронно-дырочного перехода. Хотя принцип действия обоих видов контактов оди­ наков, но, как будет видно дальше, технические характеристи­ ки и параметры полупроводниковых электронных приборов с плоскостным и с точечным контактами существенно различа­ ются.

В полупроводниковой электронике применяются не только выпрямляющие (нелинейные) контакты, но и такие контакты полупроводника с металлом, в которых выпрямительный эффект почти или полностью отсутствует. Эти контакты имеют практи­ чески одинаковую проводимость в прямом и обратном направ­ лениях и вольтамперную характеристику, близкую к линейной, почему их и называют линейными или омическими. Линейный контакт требуется осуществить, например, в местах присоеди­ нения металлических выводов (токоснимателей) к полупровод­ нику в диодах и в триодах. Хороший по свойствам линейный контакт с германием дают металлы, имеющие большую работу выхода и не относящиеся к 3 или 5-й группе периодической си­ стемы элементов Менделеева, например олово и свинец. На практике при изготовлении германиевых диодов и триодов обычно применяют свинцово-оловянный припой.

§ 22.3. Статические характеристики и параметры полупроводникового диода

Статическая вольтамперная характеристика полупроводни­ кового диода даёт связь между током, протекающим через диод, и напряжением, приложенным к диоду.

601

В соответствии с физическими процессами в электронно-ды­ рочном переходе, рассмотренными в предыдущем параграфе, ток в цепи диода имеет две составляющие. Одна представляет собой ток основных носителей, другая — ток неосновных носи­ телей. Рассмотрим прежде всего ток неосновных носителей.

При отсутствии внешней разности потенциалов U на элект­ ронно-дырочном переходе существует только контактная раз­ ность потенциалов UK . Её поле ускоряет движение неосновных носителей к контакту, создавая ток неосновных носителей /о. При подаче на р-п переход запирающего напряжения (плюс на n-область, а минус на p-область) поле, ускоряющее движение неосновных носителей, возрастает, однако ток неосновных носи­ телей через переход изменяется мало, так как уже при U= 0 он, вследствие малой концентрации неосновных носителей, был прак­ тически равен току насыщения / 0. При подаче на переход напряжения, соответствующего пропускному направлению, раз­ ность потенциалов в приконтактном слое снижается до вели­ чины Uк—U, вследствие этого ток неосновных носителей умень» шается, становясь равным нулю при U = U K.

Поток основных носителей через р-п переход при отсутствии внешнего напряжения U ограничивается контактной разностью потенциалов Uк, создающей для основных носителей потенци­ альный барьер. Ток основных носителей направлен навстречу току неосновных носителей и при 11 = 0 равен ему по величине 10Сн — —/о. Поэтому суммарный ток через контакт в этом случае равен нулю.

При подаче на переход запирающего напряжения высота по­ тенциального барьера возрастает до значения Uк + U и ток основных носителей уменьшается. Расчёт показывает, что уменьшение этого тока происходит по экспоненциальному закону

При подаче на переход положительного напряжения .высо­ та потенциального барьера уменьшается и соответственно ток основных носителей возрастает по закону

при малых положительных значениях приложенного напряже­ ния U ток основных носителей значительно превосходит ток не­ основных носителей.

602

На рис. 22.11 показана характеристика полного тока через диод, равного разности тока основных носителей и тока неоснов­ ных носителей. Это и есть теоретическая вольтамперная харак­ теристика полупроводникового диода. Аналитическое выражение для этой характеристики в соответствии с вышеизложенным, пре­ небрегая изменением тока неосновных носителей при положи­

тельных напряжениях на пере­ ходе, можно написать в следу­ ющем виде:

На рис. 22.12 показана реальная характеристика полупро­ водникового диода. В пропускном направлении она удовлетво­ рительно совпадает с теоретической характеристикой в области напряжений U < UK. Существенное отклонение наступает в пропускном направлении при U > Uк , когда ток через диод начинает ограничиваться не сопротивлением запорного слоя, а сопротивлением толщи полупроводника. При этом вольтампер­ ная характеристика диода становится близкой к линейной в соответствии с законом Ома.

В запорном направлении реальные характеристики соответ­

существенный рост тока, а затем пробой, при котором выпрям­ ляющее действие контакта нарушается (точка А). За точкой А находится падающий участок вольтамперной характеристики (АВ), на котором увеличение тока через диод сопровождается уменьшением напряжения в нём (отрицательное сопротив­

ление) .

Пробой электронно-дырочного перехода возможен двух ви­ дов — электрический и тепловой. Электрический пробой может быть вызван как прямым возбуждением валентных электронов (перебросом их из валентной зоны в зону проводимости) под

603

действием сильного поля, так и ударной ионизацией. В элект­ ронно-дырочных переходах электрический пробой возникает в основном за счёт ударной ионизации.

Величина пробивного напряжения UnPo6 сильно зависит от количества примесей в германии, т. е. от удельного сопротив­ ления германия р . По исследованиям Б. М. Вула и А. П. Шотова, в переходах, изготовленных путём вплавления индия в гс-германий, величина пробивного напряжения в импульсном режиме, когда тепловые эффекты невелики, достаточно точно выражается формулой:

Таким образом, для получения высокого пробивного напря­ жения следует применять более тщательно очищенный гер­ маний.

Величина пробивного напряжения при электрическом пробое зависит также от ширины перехода х0. По тем же исследованиям

U п р о б = 15,8х°-758.

Температура окружающей среды и условия теплоотвода ока­ зывают слабое влияние на электрический пробой.

Тепловой пробой электронно-дырочного перехода вызывает­ ся термическим возбуждением валентных электронов, т. е. пе­ ребросом их в зону проводимости за счёт нагрева полупровод­ ника током, проходящим через него под воздействием прило­ женного обратного напряжения. Пробивное напряжение при тепловом пробое зависит от температуры окружающей среды, величины обратного тока и условий отвода тепла. Улучшая теп­ лоотдачу и уменьшая величину обратного тока (путём лучшей очистки материала), возможно увеличить напряжение теплово­ го пробоя.

Большие успехи, достигнутые в настоящее время ,в повыше­ нии степени очистки германия, позволяют получать пробивное напряжение в точечном контакте свыше 200 в, а в плоскостном контакте — свыше 600 в. В кремниевых р-п переходах про­

вых и вакуумных диодов показывает, что полупроводниковые диоды имеют большую крутизну характеристики в пропускном направлении, однако значительно уступают вакуумным диодам в отношении величины обратного тока и допустимого обрат­ ного напряжения.

Вольтамперные характеристики кремниевых диодов отлича­ ются от характеристик германиевых диодов меньшей величиной

604

тока насыщения / 0. так как собственная проводимость кремния примерно в тысячу раз меньше, чем германия.

Однако вследствие малой величины Iо кремниевые диоды имеют в пропускном направлении при малых напряжениях меньшую крутизну характеристики, чем германиевые. Это не­ посредственно вытекает из выражения (22.11), которое при малых U можно, используя разложение в ряд по степеням функ­ ции ех , записать в следующем виде:

Для описания свойств полупроводниковых приборов наряду со статическими характеристиками применяются также стати­ ческие параметры — сопротивление постоянному току Ro, внут­ реннее сопротивление Ri и коэффициент выпрямления КвыпР-

Сопротивление постоянному току определяется как отноше­ ние напряжения к току в данной точке вольтамперной харак­ теристики

(22.13)

Вследствие несимметричной проводимости полупроводнико­ вого диода сопротивление постоянному току в пропускном на­ правлении Rnp значительно меньше, чем сопротивление посто­ янному току в обратном направлении R o6p. Так, например, в

точечных диодах RnP= 100 -т- 300 ом, aRo6p = lO -^-3000 ком.

Внутреннее, или дифференциальное, сопротивление Rt опре­ деляется как отношение бесконечно малого приращения напря­ жения к вызвавшему его бесконечно малому приращению тока

(22.14)

Величина внутреннего сопротивления зависит от режима, уменьшаясь с ростом направления в пропускном направлении. Например, у кремниевых точечных диодов Rt изменяется от

10 15 ком при С /=+5 мв До 20й-=- 40 ом при С/= + 1 в. Такое резкое уменьшение внутреннего сопротивления с ростом напря­ жения в пропускном направлении является следствием того, что вольтамперная характеристика полупроводникового диода' име­ ет экспоненциальный вид.

Коэффициент выпрямления есть отношение прямого тока к обратному при определённом напряжении (обычно С /=±1 в).

Очевидно, что К,выпр

605

§ 22.4. Свойства полупроводниковых диодов на высоких частотах

На низких частотах величина тока в цепи диода опреде­ ляется только активными сопротивлениями выпрямляющего контакта. При работе диода в цепях высокой частоты большую

. роль играет ёмкость выпрямляющего контакта. Для токов вы­ сокой частоты сопротивление контакта является комплексным, и свойства диода на высоких частотах могут быть существен­ но иными, чем на низких частотах. Соответственно вольтампер-

Выпрямляющий контакт при малых амплитудах переменно­ го напряжения можно рассматривать как конденсатор, обклад­ ками которого являются полупроводники, образующие переход, а диэлектриком — запорный слой. Объёмные заряды, скапли­ вающиеся в полупроводнике на границах запорного слоя, из­ меняют свою величину под воздействием переменного напря­ жения и обусловливают ёмкостные свойства контакта.

Так как толщина запорного слоя зависит от величины по­ стоянного напряжения, приложенного к контакту (§ 22.2), то и ёмкость выпрямляющего контакта зависит от величины этого напряжения. При подаче обратного напряжения на переход ши­ рина запорного слоя увеличивается и ёмкость перехода умень­ шается. При уменьшении обратного напряжения и увеличении прямого напряжения ёмкость возрастает. Расчёт показывает, что в сплавных переходах при больших обратных напряжениях

Ёмкостные свойства р-п перехода могут быть обусловлены, помимо накопления зарядов на границе перехода, также явле­ нием инъекции, благодаря которому происходит накопление не­ основных носителей в области контакта. Эта составляющая ём­ кости перехода носит название диффузионной ёмкости. Вели­

чина её зависит от коэффициента диффузии и времени жизни не­ основных носителей, а также от приложенного постоянного на­ пряжения.

На низких частотах диффу­ зионная ёмкость имеет большую величину и обычно является ос­ новной компонентой ёмкости перехода. С ростом частоты

вследствие инерционности процесса диффузии условия накоп­ ления неосновных носителей в чужой среде ухудшаются и диф­ фузионная ёмкость уменьшается.

Эквивалентная схема полупроводникового диода на высокой

606

частоте может быть изображена в виде, представленном на рис. 22.13. Параметры этой схемы: сопротивление запорного слоя Ri и ёмкость С зависят от величины и знака приложен­ ного напряжения. На высоких частотах ёмкость С определяет­ ся в основном ёмкостью запорного слоя и её можно прибли­ жённо считать не зависящей от частоты. Сопротивление R \ яв­ ляется сопротивлением толщи полупроводника.

Для изображённой на рис. 22.13 эквивалентной схемы пол­ ные сопротивления диода в прямом и обратном направлениях соответственно равны:

Из-за малой величины сопротивления запорного слоя в пря­ мом направлении/?2лр обычно выполняется условие о)(Д?2ло4 Д> поэтому членом imCRina в (22.15) можно пренебречь. Тогда получаем следующее приближённое выражение:

члена можно пренебречь. Тогда получаем следующее прибли­ жённое выражение:

у1 со С

Коэффициент выпрямления равен

607 •

Из выражения (22.22) видна роль сопротивления толщи по­ лупроводника R\ и ёмкости запорного слоя С для обеспечения выпрямляющего действия контакта на высоких частотах. На сверхвысоких частотах допустимое значение ёмкости С оказывается столь малым, что его можно обеспечить лишь в точечных диодах со специально заточенным остриём, создаю­ щим малую площадь контакта. Заметим, что на сверхвысоких частотах на работу полупроводниковых диодов, помимо ёмко­ стей, могут оказывать влияние также индуктивности вводов.

§22.5. Типы полупроводниковых диодов

иих эксплуатационные свойства

Типы полупроводниковых диодов

Полупроводниковые диоды, применяемые в настоящее вре­ мя в радиоэлектронике, по частотному диапазону, в котором они применяются, можно разбить на три основные группы:

1. Сверхвысокочастотные диоды — приборы для детектиро­ вания, преобразования частоты и измерений в диапазоне сан­

тиметровых волн.

2. Высокочастотные диоды — приборы, используемые прак­ тически в широком диапазоне частот от низких и до сверхвы­ соких (150 - г - 300 Мгц) в самых разнообразных схемах (детек­ тирование, преобразование частоты, выпрямление, измеритель­ ные схемы и т. д.).

3. Выпрямительные диоды — приборы, используемые для выпрямления переменного тока низкой частоты.

Кроме того, в технике применяются также так называемые опорные диоды или кремниевые стабилитроны, служащие для стабилизации постоянного напряжения.

Сверхвысокочастотные диоды

Диоды для сверхвысоких частот изготавливают точечной конструкции из германия и кремния. В этих диодах путём спе­ циальной заточки острия обеспечивается весьма малая пло­ щадь контакта, чем достигается получение небольшой ёмкости перехода. Конструктивно диоды для сверхвысоких частот офор­ млены таким образом, чтобы обеспечить непосредственное включение их в волноводно-резонаторные узлы аппаратуры свч.

В связи с этим у них отсутствуют длин­ ные проволочные выводы (рис. 22.14).

Работу полупроводниковых диодов в качестве смесителей и детекторов харак­ теризуют специальные параметры — чув­ ствительность по току, потери преобразования и коэффициент шума.

608

Чувствительность по току показывает способность детектора д‘авать полезный эффект при воздействии слабых сигналов сверхвысокой частоты. Она определяется как отношение выпрям­ ленного тока к величине подведённой к детектору мощности

Обычно чувствительность по току выражается в а/вт. Потерями преобразования называется выраженное в деци­

белах отношение мощности радиочастоты, подведённой к диоду (Р вл), к мощности промежуточной частоты, отдаваемой нагрузке

(Рвых. пром)

получаемый от преобразовательной ступени при данной вели­ чине Р вх.

Диоды для сверхвысоких частот имеют небольшую величину допустимого прямого тока (20 -=- 30 ма) и небольшое обратное напряжение (5 -г-15 в). Максимальная допустимая мощность

Рис. 22.15

рассеяния от 30 до 200 мет. Зато чувствительность по току у них значительно выше, чем у вакуумных диодов. У кремниевых

детекторов чувствительность по току доходит до 4 — . Гер­ ат

маниевые диоды имеют несколько меньшую чувствительность, что является их недостатком по сравнению с кремниевыми. По­ терн преобразования у кремниевых и германиевых диодов , при­ мерно одинаковы, составляя 6 , 5 8 , 5 дб при подводимой мощ­ ности 0,5 мет. С ростом подводимой мощности и, следовательно,