Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Твердотельная электроника. Учебное пособие
.pdf
3.7 Туннельные диоды и обращенные диоды 91
• Добротность Qв— отношение реактивной мощности на заданной часто-
те переменного сигнала к мощности потерь варикапа при заданном значении обратного напряжения. При низких частотах переменного сигнала
сопротивление потерь в основном обусловлено сопротивлением перехода:
Q
= r
в. нч
новном обусловлено сопротивлением базы: Q
= ωrpnCв. При высоких частотах сопротивление потерь в ос-
pnXC
в. вч
= X
Crб
= 1(ωr
бCв
). Та-
ким образом, добротность варикапа в области низких частот растет с увеличением частоты, а при высоких частотах уменьшается с увеличением
частоты. Следует отметить, что варикапы в основном применяют на высоких и сверхвысоких частотах, поэтому номинальную добротность варикапа
определяют как отношение реактивного сопротивления к сопротивлению
потерь.
Эквивалентная схема варикапа и его условное обозначение приведены на ри-
сунке 3.4, б, в.
На рисунке 3.4, б: rб— омическое сопротивление базы; rpn— сопротивление об-
ратно смещенного p-n-перехода; Cб— емкость; Lв— индуктивность выводов.
Рис. 3.4 – Варикап со структурой p+-n-n+(а), эквивалентная схема (б) и условное
графическое обозначение варикапа (в)
3.7 Туннельные диоды и обращенные диоды
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Туннельный диод представляет собой полупроводниковый диод
с вольт-амперной характеристикой N-типа, принцип д ействия
которого основан на эффекте туннельного прохождения носителей заряда через потенциальный барьер p-n-перехода с вырожденными p- и n-областями.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Для изготовления туннельных диодов используют сильно легированные полупроводники, концентрация примесей в которых составляет 1018— 1020см−3. Это
приводит к значительному уменьшению ширины области пространственного заряда p-n-перехода до 1 — 10 нм, которая становится соизмеримой с дебройлевской длиной волны электронов. В результате создаются условия для квантовомеханического туннельного эффекта, который состоит в том, что носители заряда,
92 Глава 3. Полупроводниковые диоды
обладающие энергией, меньшей, чем высота потенциального барьера, приобретают ненулевую вероятность проникновения сквозь узкий потенциальный барьер без
изменения своей энергии.
Другим важным следствием высокой степени легирования областей p-n-перехода является расщепление примесных энергетических уровней с образованием
примесных энергетических зон, которые сливаются с зоной проводимости в nобласти и с валентной зоной в p-области. Уровни Ферми при этом оказываются
расположенными в соответствующих разрешенных зонах на расстоянии ∆Ep= Eυ−
− EFpот потолка валентной зоны и ∆En= EFn− Ecот дна зоны проводимости
(рис. 3.5).
В состоянии термодинамического равновесия (рис. 3.5, а) зона проводимости n-области и валентная зона p-области перекрываются по энергии на величину
δE = ∆Ep+ ∆En, поэтому электроны из зоны проводимости n-области могут тун-
нелировать сквозь узкий переход на свободные энергетические уровни валентной
зоны p-области и наоборот. Однако при отсутствии внешнего электрического поля
такие переходы равновероятны, поэтому результирующий ток через переход равен
нулю.
При смещении перехода в прямом направлении возникает частичное перекрытие интервала ∆Epпочти пустых энергетических уровней валентной зоны pобласти и ∆Enпочти полностью занятых энергетических уровней зоны проводимости n-области (рис. 3.5, б).
Как следствие, вероятность туннельных переходов электронов из n-области
в p-область увеличивается, а в обратном направлении уменьшается, поэтому через
переход начинает протекать прямой туннельный ток IT.
С ростом прямого напряжения (0 < U < Uп)перекрытие интервалов энергии
∆Epи ∆Enувеличивается, вследствие чего туннельный ток растет, достигая макси-
мального значения при U = Uп, когда EFn= Eυpи интервалы ∆Ep, ∆Enперекрыты
полностью (рис. 3.5, в).
Дальнейшее увеличение прямого напряжения (U
< U < U
п
)ведет к умень-
в
шению перекрытия интервалов ∆Epи ∆En(рис. 3.5, г), в результате чего туннельный ток уменьшается. Когда U = Uв, потолок валентной зоны p-области совпадет
с дном зоны проводимости n-области, перекрытие разрешенных энергетических
зон исчезает и туннельный ток падает до нуля (рис. 3.5, д). Таким образом, в интервале прямых напряжений Uп< U < Uвтуннельный диод обладает отрицательным
дифференциальным сопротивлением r
= dI dU < 0 (рис. 3.5, ж).
диф
При U > Uвтуннельный ток равен нулю, однако потенциальный барьер p-nперехода снижается настолько, что определяющим становится диффузионный ток
инжекции I
, который растет с ростом прямого напряжения.
инж
Кроме того, в реальных диодах помимо прямого туннелирования осуществляется туннелирование через энергетические уровни ловушек, локализованные в запрещенной зоне, что приводит к появлению избыточного тока I
, который также
изб
растет при увеличении прямого напряжения.
Следовательно, полный прямой ток туннельного диода содержит три составляющие Iпр= IТ+ I
инж
+ I
, определяемые выражениями:
изб
IТ= cS
qeD
4ϕ
T
U (∆E
T
+ ∆Ep− q
n
2
U)
, (3.4)
e
3.7 Туннельные диоды и обращенные диоды 93
Рис. 3.5 – Энергетические диаграммы (а) и вольт-амперная характеристика (б)
туннельного диода
I
инж
= I
s
exp
U
ϕ
T
; I
изб
= I
exp [A(U − Uв)],
min
где c — константа; S — площадь перехода; DT— коэффициент прозрачности потенциального барьера; A — константа.
Соответственно на прямой ветви ВАХ туннельного диода можно выделить два
участка: туннельный (0 < U < Uв), на котором преобладает туннельная сост авляю-
щая I
прямого тока, и диффузионный (Uв< U ), на котором преобладает инжекци-
Т
онная составляющая. Избыточный же ток в наибольшей степени проявляется при
U ≈ Uв, пока инжекционный ток мал.
Используя выражение (3.4), из условия dI
∆En+ ∆E
Uп=
dU = 0 легко определить
T
p
3q
,
e
а из условия IT= 0
∆En+ ∆E
Uв=
p
q
.
e
При смещении p-n-перехода в обратном направлении перекрытие валентной
зоны p-области и зоны проводимости n-области увеличивается (рис. 3.5, е). Напротив занятых электронами уровней интервала ∆Enзоны проводимости n-области
находятся почти полностью занятые уровни валентной зоны p-области, и туннелирование электронов из n-области в p-область маловероятно. Соответственно на-
против занятых электронами уровней p-области (E < EFp)оказываются свободные
94 Глава 3. Полупроводниковые диоды
уровни зоны проводимости n-области (E < EFn). Следовательно, происходит тун-
нелирование электронов из p- в n-область, а через диод протекает обратный туннельный ток. С ро стом величины обратного напряжения перекрытие свободных
в n-области и занятых в p-области энергетических уровней увеличивается, повышается число электронов, способных туннелировать через переход, и обратный ток
диода непрерывно возрастает. Поскольку плотность электронов в валентной зоне
крайне велика, то незначительное смещение энергетических зон сопровождается
существенным изменением потока туннелирующих электронов. Таким образом,
для обратной ветви ВАХ туннельного диода характерен быстрый рост величины
обратного тока при увеличении обратного напряжения, то есть туннельный диод
обладает относительно высокой проводимостью при обратном смещении. Можно
считать, что у туннельного диода происходит туннельный пробой при достаточно
малых обратных напряжениях.
Основные параметры туннельных диодов
• Пиковый ток Iп— прямой ток в точке максимума ВАХ, при котором зна-
чение dI dU равно нулю. Значение может составлять от десятых долей
миллиампера до сотен миллиампер.
• Ток впадины Iв— прямой ток в точке минимума ВАХ, при котором значение
dIdU равно нулю.
• Отношение токов туннельного диода I
ку впадины. Для туннельных диодов из арсенида галлия I
германиевых туннельных диодов I
пIв
— отношение пикового тока к то-
пIв
⩾ 10, для
пIв
= 3 ÷ 6.
• Напряжение пика Uп— прямое напряжение, соответствующее пиковому то-
ку. Для туннельных диодов из арсенида галлия Uп= 100 ÷ 150 мВ, для гер-
маниевых Uп= 40 ÷ 60 мВ.
• Напряжение впадины Uв— прямое напряжение, соответствующее току впа-
дины. У туннельных диодов из арсенида галлия Uв= 400 ÷ 500 мВ, у гер-
маниевых Uв= 250 ÷ 300 мВ.
• Напряжение раствора Uр— прямое напряжение, большее напряжения впа-
дины, при котором ток равен пиковому.
• Удельная емкость туннельного диода C
— отношение емкости туннель-
дIп
ного диода к пиковому току.
• Предельная резистивная частота fR— расчетная частота, на которой актив-
ная составляющая полного сопротивления последовательной цепи, состоящей из p-n-перехода и сопротивления потерь, обращается в нуль.
• Резонансная частота туннельного диода f0— расчетная частота, на которой
общее реактивное сопротивление р-n-перехода и индуктивности корпуса
туннельного диода обращается в нуль.
3.7 Туннельные диоды и обращенные диоды 95
Частотные свойства туннельных диодов
Механизм действия туннельных диодов связан с туннелированием электронов
сквозь потенциальный барьер. Время, необходимое для завершения этого процесса, составляет 10
−13
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Эффект накопления неосновных носителей в базе туннельных диодов практически отсутствует, так как они используются при малых прямых напряжениях, соответствующих участку ВАХ с отрицательным дифференциальным сопротивлением.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Поэтому туннельные диоды способны работать на частотах до сотен гигагерц,
что соответствует миллиметровому диапазону радиоволн. Верхний предел частотного диапазона работы туннельных диодов ограничен лишь собственной емкостью, о снову которой составляет барьерная емкость р-n-перехода, и индуктивностью выводов.
Для определения параметров, характеризующих частотные свойства туннельных диодов, воспользуемся эквивалентной схемой для малого переменного сигнала при наличии постоянного прямого напряжения, смещающего рабочую точку на
участок ВАХ с отрицательным дифференциальным сопротивлением (рис. 3.6).
— 10
−14
с.
Рис. 3.6 – Эквивалентная схема туннельного диода для малого переменного
сигнала
Эквивалентная схема содержит отрицательное дифференциальное сопротивление r_, параллельно которому включена барьерная емкость Cб, а также объемное
сопротивление базы rби индуктивность выводов и корпуса L.
Полное сопротивление туннельного диода при малом синусоидальном напряжении
где g
= 1r
_
Z = r
— отрицательная дифференциальная проводимость туннельного диода.
_
−
б
2
g
+ ω2C
_
+ jω L −
2
б
g_
2
g
_
C
б
+ ω2C
, (3.5)
2
б
Из (3.5) следует, что туннельный диод будет обладать отрицательным дифференциальным сопротивлением при условии
g_
rб<
2
g
_
+ ω2C
. (3.6)
2
б
96 Глава 3. Полупроводниковые диоды
На высоких частотах, когда условие (3.6) перестает выполняться, дифференци-
альное сопротивление туннельного диода становится положительным.
Предельная резистивная частота fRопределяется из решения уравнения rб=
g_
=
2
g
+ 4π2f
_
, откуда fR=
2
2
C
R
б
2πr_C
1
б
r_
r
− 1.
б
Предельная резистивная частота туннельного диода зависит от соотношения
сопротивления базы диода и абсолютного значения отрицательного дифференциального сопротивления. Максимальное значение предельной резистивной частоты
достигается при r_= 2r
и составляет f
б
= 1(2πr_Cб).
Rmax
Усредненное отрицательное дифференциальное сопротивление можно пред-
ставить в виде r_= ∆U∆I = (U
в
− U
)(I
п
− I
п
)≈ constI
в
, поэтому f
п
Rmax
∼ I
пCб
.
Таким образом, удельная емкость туннельного диода является важным параметром, характеризующим его частотные свойства.
Из-за наличия у туннельных диодов паразитных индуктивности и емкости на
некоторой частоте могут возникнуть условия для резонанса, что нарушит нормальное функционирование прибора.
Резонансная частота туннельного диода определяется из условия ImZ = 0, от-
куда f0=
1
r_C
б
r_
2
C
б
− 1.
L
Для нормальной работы туннельные диоды должны быть сконструированы
так, чтобы резонансная частота была выше предельной резистивной частоты, что
обеспечивается при L < r
бr_Cб
.
Следовательно, индуктивность эквивалентной схемы туннельного диода, которая определяется в основном индуктивностью внутренних и внешних выводов
диода, должна быть по возможности малой.
Обращенные диоды
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Обращенным называют диод на основе полупроводника с критической концентрацией примесей, в котором проводимость при
обратном напряжении вследствие туннельного эффекта значительно больше, чем при прямом напряжении.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
При критической концентрации примесей уровень Ферми расположен на потолке валентной зоны p-области и на дне зоны проводимости n-области диода.
Тогда в состоянии термодинамического равновесия потолок валентной зоны pобласти и дно зоны проводимости n-области находятся на одной высоте энергетической диаграммы (рис. 3.7, а).
Обратная ветвь ВАХ обращенного диода (рис.3.7, б) аналогична обратной ветви ВАХ туннельного диода, так как при обратных напряжениях происходит туннелирование электронов из валентной зоны р-области в зону проводимости nобласти. Поэтому обратные токи в обращенных диодах оказываются большими
при малых обратных напряжениях (десятки милливольт).
Контрольные вопросы по главе 3 97
Прямая ветвь ВАХ обращенного диода аналогична прямой ветви ВАХ обычного выпрямительного диода, так как при прямых напряжениях в обращенном диоде
прямой ток может быть образован только в результате инжекции носителей заряда через потенциальный барьер p-n-перехода. Но заметная инжекция наблюдается
только при прямых напряжениях в несколько десятых долей вольта. При меньших
напряжениях прямые токи в обращенных диодах оказываются меньше обратных.
Таким образом, обращенные диоды обладают выпрямляющим эффектом, но
проводящее направление у них соответствует обратному включению, а запирающее — прямому включению.
Из принципа действия обращенных диодов ясно, что они, во-первых, способны
работать при очень малых сигналах. Во-вторых, обращенные диоды обладают хорошими частотными свойствами, так как туннелирование — процесс малоинерционный, а эффект накопления основных носителей при малых прямых напряжениях
практически отсутствует.
Рис. 3.7 – Энергетическая диаграмма (а) и вольт-амперные характеристики (б)
обращенных диодов
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Контрольные вопросы по главе 3
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1) Определить максимальную предельную резистивную частоту туннельного
диода (в МГц), если величина отрицательного дифференциального сопро-
тивления 1002π Ом, а барьерная емкость 20 пФ.
Ответ: 50 МГц.
2) Определить добротность варикапа в области низких частот, если емкость
равна 10 пФ, сопротивление обратно смещенного p-n-перехода равно
100 кОм, круговая частота равна 12 Мрад/c.
Ответ: 12.
98 Глава 3. Полупроводниковые диоды
3) Определить приращение напряжения на стабилитроне (в мВ), обусловленное изменением тока нагрузки на 2 мА, если дифференциальное сопротивление стабилитрона 39 Ом, а ограничительное сопротивление много
больше дифференциального сопротивления стабилитрона.
Ответ: 78 мВ.
4) Диоды Шоттки по сравнению с кремниевыми полупроводниковыми диодами на основе p-n-перехода характеризуются:
а) более высоким быстродействием,
б) большими прямыми падениями напряжения,
в) более высокими пробивными напряжениями,
г) большими обратными токами.
Ответ: а, г.
Глава 4
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Биполярными транзисторами называют полупроводниковые приборы с двумя или несколькими взаимодействующими электрическими p-n-переходами и тремя (или более) выводами, усилительные свойства которых обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
В настоящее время широко используют биполярные транзисторы с двумя p-n-
переходами, к которым чаще всего и относится этот термин.
4.1 Структура и основные режимы работы
Биполярные транзисторы состоят из чередующихся областей (слоев) полупроводника, имеющих электропроводности различных типов. В зависимости от типа
электропроводности наружных слоев различают транзисторы p-n-р и n-p-n-типов.
Типовые структуры биполярных транзисторов, изготовленных различными методами, приведены на рисунке 4.1.
Область транзистора, расположенную между p-n-переходами, называют базой.
Для обеспечения взаимодействия между p-n-переходами толщина базы должна
быть много меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда. В этом
случае носители заряда, инжектированные в базу через один из переходов при его
смещении в прямом направлении, способны достичь другого перехода и повлиять
на его ток. Таким образом, взаимодействие p-n-переходов биполярного транзистора проявляется в том, что ток одного из переходов может управлять током другого
перехода.
Примыкающие к базе области чаще всего делают неоднородными. Одну из областей изготавливают так, чтобы из нее наиболее эффективно происходила инжек-
100 Глава 4. Биполярные транзисторы
Рис. 4.1 – Структуры биполярных транзисторов: а — сплавного, б —
эпитаксиально-диффузионного; в — планарного
ция носителей заряда в базу, а другую — так, чтобы соответствующий p-n-переход
наилучшим образом осуществлял экстракцию носителей из базы.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Область транзистора, основным назначением которой является
инжекция носителей заряда в базу, называют эмиттером, а соответствующий p-n-переход — эмиттерным.
Область транзистора, основным назначением которой является
экстракция носителей заряда из базы, называют коллектором,
а соответствующий p-n-переход — коллекторным.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Концентрация примеси в эмиттере больше, чем в коллекторе, а наименьшей
является концентрация примеси в базе. В соответствии с этим база является высокоомной областью, коллектор — низкоомной, а эмиттер — самой низкоомной.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Каждый из p-n-переходов транзистора может быть смещен либо
в прямом, либо в обратном направлениях. В зависимости от этого
различают 4 режима работы транзистора:
— режим отсечки — оба p-n-перехода смещены в обратном направлении, при этом через транзистор протекают сравнительно малые
токи.
— режим насыщения — оба p-n-перехода смещены в прямом направлении, при этом через транзистор протекают относительно
большие токи;
— нормальный активный режим — эмиттерный переход смещен
в прямом направлении, а коллекторный переход — в обратном;
— инверсный активный режим — коллекторный переход смещен
в прямом направлении, а эмиттерный переход — в обратном.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Управление транзистором наиболее эффективно осуществляется в нормальном
активном режиме. При этом транзистор выполняет функции активного элемента
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]