Литература / Шишкин Г. Г. , Шишкин А. Г. Электроника 2009

ности используете.я последовательна.я эквивалентна.я схема за­

мещения, показанная на рис. 3.6, в, и, кроме того, варикапы

изготавливаются с малым значением r 6 •

Работатуннельн::·д~онд:~:::~::::::.явленииквантово-1

механического туннелирования основных носителей через по­ ~ тенциальный барьер, энергия которого превышает энергию но-

во-механического перехода в единицу времени, которое пропор­

ционально ехр [-2k(O)W], где W - шщшна потенциального·барье- '

ра, k(O) - среднее значение волнового вектора носителя заряда в

процессе туннелирования, приходящееся на один носитель с нуле­

вым поперечным импульсом и энергией, равной энергии Ферми.

Время туннелирования 'tт чрезвычайно мало, и поэтому тун­

нельные приборы используются в СВЧ-диапазоне в качестве гене­ раторов, переключателей, для туннельной спектроскопии и т. д.

Поскольку вероятность туннельного перехода сильно зави­ сит от ширины потенциального барьера W, то в туннельных ди­ одах используютсяр-п-переходы, образуемые вырожденными полупроводниками, т. е. полупроводниками с концентрацией

примеси порядка 1020 ... 1021 см-3 • Из-за сильного легирования

уровень Ферми располагается внутри зоны проводимости (для

п-области) и внутри валентной зоны (дляр-области), как это по­

казано на рис. 3.8, а, диаграмма 2. Ширина обедненного слоя

(ширина р-п-перехода) при указанной степени легирования

о

составляет величину~ 100 ангстрем (А) и менее. Рассмотрение работы туннельных диодов для простоты про­

ведем при температуре абсолютного нуля. В этом случае выше

уровня Ферми все разрешенные энергетические состояния по

обеим сторонам перехода .являются свободными, а ниже уровня

Ферми - заполненными электронами (рис. 3.8, а). В отсутст­ вие приложенного напряжения (И= О на рис. 3.8, а) туннель­ ный ток через переход не протекает, поскольку туннелирование частиц в данном случае не имеет места, так как туннельный пе­

реход происходит без изменения энергии частицы, а при И = О

уровни одинаковой энергии в обеих областях или свободны

(расположены выше ЕФ , ЕФ ), или заняты (расположены ни-

пр

Е

а)

и. и

1

б)

Рис. 3.8

же ЕФ и ЕФ ). На БАХ (рис. 3.8, б) рассматриваемому случаю

пр

соответствует точка 2, а на рис. 3.8, а - диаграмма 2.

При подаче напряжения происходит туннелирование электро­

нов с занятых состояний валентной зоны р-полупроводника на сво­

бодные. состояния п-полупроводника (обратное смещение, точка 1 на БАХ рис. 3.8, б, диаграмма 1 на рис. 3.8, а) или, наоборот, с за­ нятых состояний п-полупроводника на свободные уровни р-полу­ проводника (прямое смещение, точка 3 на рис. 3.8, б, диаграмма 3

на рис. 3.8, а). Для реализации указанных туннельных переходов необходимо выполнение следующих условий:

няться при переходе.

При обратном смещении электроны легко туннелируют из ва­

лентной зоны р-области в зону проводимости п-области, что будет приводить к возрастанию туннельного тока с ростом абсолютного значения обратного напряжения. В результате обратная ветвь БАХ обращещюго диода аналогична БАХ туннельного диода

(рис. 3.10, а, б). При подаче прямого напряжения ток в обращен­

ном диоде определяется инжекцией носителей заряда через пере­ ход подобно обычному диоду. При малых прямых напряжениях И< 0,5 В прямой ток в обращенном диоде значительно меньше обратного. 3а счет избыточного туннельного тока в обращенных диодах возможны слабые проявления туннельного эффекта при прямых смещениях (см. рис. 3.10, а). Обращенные диоды можно

использовать в качестве детекторов малых сигналов СВЧ-излуче­ ния, смесителей, переключателей.

Обращенные диоды имеют хорошие частотные характеристи­ ки, поскольку их работа не сопровождается накоплением неос­

новных носителей, и малый 1/f шум (см. гл. 22). БАХ этого типа диодов не чувствительна к влиянию температуры и облучения.

Помимо рассмотренных приборов, туннельный эффект исполь­

зуется также в МДП-диодах (структура металл - диэлектрик -

о

полупроводник) при толщине диэлектрика от 10 до 50 А, в

МДМ-диодах (структура металл - диэлектрик - металл) и тун­

нельных транзисторах на основе МДП и МДМ структур.

3.7. Лавинно-пролетные диоды

Принцип работы лавинно-пролетных диодов (ЛПД) основан на

возникновении отрицательного сопротивления в результате ис­

пользования процессов лавинного умножения носителей и време~

ни их пролета через полупроводниковую структуру при наличии

кие, как четырехслойная структура Рида (p+-n-i-n+), асим­ метричный резкий р-п-переход (р+-п-п+), симметричный р-.

п-переход - диод с двумя дрейфовыми областями (р+-р-п-п+), диод с двухслойной базой, диод с трехслойной базой (модифици­ рованный диод Рида) и р-i-п-структуры (диоды). Каждая из

приведенных структур характеризуется определенным напряже- ·.

нием пробоя, размером области лавинного умножения и области дрейфа, степенью влияния объемного заряда носителей и темпе- .

ратуры, а также динамическими характеристиками. Рассмотре-:

ние физических процессов в ЛПД проведем на основе анализа про­

стейшей структуры - асимметричного резкого р+-п-перехода~

(рис. 3.11). Отметим, что в ЛПД распределение концентраций· примесей в переходах должно быть как можно ближе к ступенча- · тому, подобно тому, как это представлено на рис. 3.11, а. На· рис. 3.11, б, в показаны распределение напряженности электри­ ческого поля {5 при подаче обратного напряжения на структуру («минус» источника питания подключен к области р+) и эффек- « тивного коэффициента ударной ионизации <а>. ЛПД работают

прИ подаче постоянного смещения, близкого к пробивному, при

этом обедненный слойр+-п-перехода распространяется через всю

п-базу, которая является областью дрейфа носителей. Максимум

напряженности электрического поля Sm достигается на металлур-

гической границе р+-n-перехода,. вблизи которой существует уз­

кий слой Wл = х- х0(0) (см. рис. 3.11, б, в), где S> Sпроб и, следова­

тельно, происходит лавинное размножение носителей·с коэффи­

циентом <а>. Дырки сразу же под действием поля попадают в р+­ область, а электроны дрейфуют по направлению к п+-области со

скоростью насыщения vнас' которая для кремния равна 107 см/с

при S> 104 В/см, а время дрейфа tдР = W в/vнас·

Использование ЛПД или другого электронного прибора в ка­ честве активного элемента в схеме автогенератора СВЧ-колеба­

ний основано на том, что при определенных условиях этот при­

бор может представлять собой отрицательное динамическое со­ противление (ОДС). Понятие отрицательного динамического

сопротивления характеризует сопротивление диода яа перемен­

ном токе, когда между переменными составляющими тока iд, те­

кущего через прибор, и напряжения Ид' приложенного к его

электродам, существует фазовый сдвиг е такой величины, что в течение большей части периода процесс нарастания напрлже-

iд

i = Imsin (rot + п)

iu

и= Иmsin rot

1

1

1

1

Ио

б)

Рис. 3.12

4 .. 6779

ния сопровождается снИжением тока, и наоборот. Из рис. 3.12, а

легко видеть, что при е = 1t/2 промежутки времени Лt1 = Л81/Ю, в течение которых наблюдается отрицательное динамическое

сопротивление (на рисунке эти участки заштрихованы), череду­

ются с равными по величине интервалами Лt2 = Л82/rо, ког­

да динамическое сопротивление положительно. Следовательно,

в среднем за период динамическое сопротивление не является

отрицательным.

Отрезки времени Лt1 превысят по величине отрезки Лt2, если сдвиг фазе будет больше п/2, а в случае е = 1t (см. рис. 3.12, б) диод будет представлять собой отрицательное динамическое со­ противление в течение всего периода. Таким образом, условие, при котором диод в течение большей части периода характеризу­

ется отрицательным динамическим сопротивлением, можно за­

писать в виде

В ЛПД требуемый фазовый сдвиг между переменными со­ ставляющими тока и напряжения, определяемый формулой (3.5), образуется за счет конечного времени протекания основ­ ных физических процессов: лавинного размножения свободных носителей заряда в запирающем слое электрического перехода и их дрейфового движения в базе прибора.

Рассмотрим процессы более детально. Предположим, что

ЛПД в виде структуры, представленной на рис. 3.11, а, вклю­

чен в схему, содержащую источник внешнего постоянного на­

пряжения И0, а также колебательный контур с параметрами Lk,

Ck, Rk (рис. 3.13). Конденсатор С шунтирует источник постоян­ ного напряжения по переменному току, Rогр задает положение рабочей точки. Предположим, что в колебательном контуре воз­

никли колебания с частотой ro, равной резонансной частоте кон-

ли ЛПД представляет собой элемент

с отрицательным динамическим со­

противлением. Тогда энергия, пос­

тупающая в контур за счет перемен­

ной составляющей тока диода, рас­

Рис. 3.13 ходуется на восполнение потерь в

ным периоду переменного напряжения Ид на диоде. Значение ин­

тервалов времени ЛtлаJ3 и ЛtдР могут быть выбраны такими, что

первая гармоника импульсной последовательности (сплошная ли­ ния на рис. 3.14, г) окажется в противофазе (8 = 7t) с напряжением на диоде. В этом случае диод будет представлять собой отрица­

тельное динамическое сопротивление в течение всего периода.

Если же фазовый сдвиг 8 ,,= 7t, то у~ловие поддержания коле­ баний в контуре выполняется лишь в те отрезки времени, когда

диод характеризуется отрицательным дифференциальным со­

противлением. В этом случае в контур передается .меньшая

энергия и амплитуда колебаний уменьшается. Величина фазо­ вого сдвига зависит, в частности, от частоты колебаний ro:

(3.6)

Отсюда следует, что при неизменных условиях образования

лавины и дрейфа носителей в диоде величина угла 8 может из­

мениться при 'перестройке контура. Поэтому для данного диода

можно определить оптимальную частоту rоопт генерируемых ко­

лебаний, при которых фазовый угол 8 наиболее близок к вели­ чине 180° и мощность колебаний максимальна.

Отклонение величины фазового угла 8 от оптимальной может произойти и по другим причинам. Так, например, возникновение

плотного объемного заряда электронов qn в базе диода снижает потенциал в области существования этого заряда, и распределе­

ние электрического поля {jk в диоде может измениться так, как это показано на рис. 3.15 сплошной линией (штриховой линией

показана напряженность поля в отсутствие объемного заряда).

х

Рис. 3.15