20-03-2013_10-45-00 / 8Туннельные, обращ

Туннельные диоды (рис.2.1)

Туннельный диод (ТД) – полупроводниковый прибор на основе p-n-перехода, образованного вырожденными (рис.8) полупроводниками ( с большой концентрацией примеси N10²⁶ м^-3). Особенности ТД: концентрация примеси в сотни раз больше, чем в выпрямительных диодах, и как следствие, малая толщина перехода (0,01мкм). На энергетической диаграмме ТД уровень Ферми заходит в p-области в валентную зону, а в n-области в зону проводимости (рис.4). Против разрешенных уровней валентной зоны p-области лежат разрешенные уровни зоны проводимости n-области. Это значит, что электроны могут пройти через переход не меняя своей энергии, не преодолевая потенциального барьера (а сквозь потенциальный барьер) Это явление называется туннельным эффектом. Если внешних напряжений к переходу не приложено (U = 0), то прямой и обратный токи взаимно компенсируются, и полный ток равен нулю (рис.4). Если к переходу приложено прямое напряжение 0 < U ≤ U_п, потенциальный барьер (рис. 5) снижается, против занятых уровней n-области появляются разрешенные свободные уровни валентной зоны p-области. Появляется туннельный ток. При U = U_п все уровни зоны проводимости n-области окажутся против свободных уровней валентной зоны, то есть прямой туннельный ток будет максимальным.

Если прямое U станет больше U_п, барьер еще понизится и часть занятых уровней n-области окажется против запрещенной зоны p-области. Туннельный ток будет уменьшаться. При некотором U = U_в туннельный ток прекратится (рис.6). Если переход включен в обратном направлении (плюсом к n, минусом к p-области), энергетический барьер возрастает (полное напряжение U_п=U+к), при этом, против занятых уровней p-области появляются свободные разрешенные уровни зоны проводимости n-области, то есть растет обратный туннельный ток.

Особенностью ВАХ является падающий участок при U_п < U < U_в, на котором дифференциальное сопротивление отрицательно: . Это позволяет использовать туннельные диоды для усиления и генерации переменных токов в диапазоне СВЧ. Предельная частота туннельных диодов достигает 10…1000 гигагерц, они отличаются малым потреблением энергии, хорошей радиационной устойчивостью, температурной стабильностью.

Промышленность выпускает туннельные диоды из арсенида галлия (кривая 2) и германия (кривая 1 на рис.1). Чем больше ширина запрещенной зоны, тем при больших напряжениях наблюдается .

Параметры. ТД характеризуются специфическими параметрами:

1. 

   Пиковый ток I_п – прямой ток в точке максимума ВАХ, при котором значение di/du равно нулю. Он различен для ТД разного назначения. Значение его может составлять от десятых долей мА до сотен мА

2. Напряжение пика U_п – прямое напряжение, соответствующее пиковому току.

3. Ток впадины I_в – прямой ток в точке минимума ВАХ, при котором значение di/du равно нулю.

4. Напряжение впадины U_B – прямое напряжение, соответствующее току впадины.

5. Отношение токов туннельного диода I_п/I_в отношение пикового тока к току впадины. (рис.9) Для переключательных диодов это отношение должно быть максимально возможным, оно характеризует различимость двух логических уровней сигнала.

4. Напряжение раствора U_PP – прямое напряжение, большее напряжения впадины, при котором ток равен пиковому.

7. Предельная резистивная частота f_R – расчетная частота, на которой активная составляющая полного сопротивления последовательной цепи, состоящей из р-n-перехода и сопротивления потерь, обращается в нуль.

8. Резонансная частота туннельного диода f₀ – расчетная частота, на которой общее реактивное сопротивление р-n-перехода и индуктивности корпуса туннельного диода обращается в нуль.

Эффекта накопления неосновных носителей в базе ТД практически нет, так как они используются при малых U, соответствующих падающему участку ВАХ (с отрицательным дифференциальным сопротивлением). Поэтому ТД способны работать на f до сотен ГГц, что соответствует миллиметровому диапазону радиоволн. Верхний предел f- диапазона ограничен паразитными параметрами –барьерной емкостью р-n-перехода, и индуктивностью выводов и корпуса. Эквивалентная схема туннельного диода отличается от схемы обычного диода только тем, что здесь вместо активного сопротивления перехода введено отрицательное дифференциальное сопротивление r_ и учитывается индуктивность выводов L. .

ОБРАЩЕННЫЕ ДИОДЫ (рис.2.2)

Обращенным называют диод на основе полупроводника с критической концентра­цией примесей, в котором проводимость при обратном напряжении вследствие туннельного эффекта значительно больше, чем при U_пр.

При концентрациях примесей в р- и n-областях диода, меньших, чем в ТД, но больших, чем в обычных выпрямительных диодах, можно получить диод, энергетическая диаграмма которого показана на рис. 7 Уровень Ферми при такой средней концентрации примесей может быть расположен на потолке валентной зоны р-области (точка А) и на дне зоны проводимости n-области диода (точка С), т. е. потолок валентной зоны р-области и дно зоны прово­димости n-области при нулевом смещении на диоде находятся на одной высоте по энергетической диаграмме. Обратная ветвь ВАХ обращенного диода аналогична обратной ветви ВАХ туннельного диода, так как при обратных напряжениях происходит туннелирование электронов из валентной зоны р-об­ласти в зону проводимости n-области. Поэтому обратные токи в обращенных диодах оказываются большими при ничтожно малых обратных напряжениях (десятки мВ).

Прямая ветвь ВАХ обращенного диода аналогична прямой ветви ВАХ обычного выпрямительного диода, так как при прямых на­пряжениях на обращенном диоде прямой ток может быть образо­ван только в результате инжекции носителей заряда через потен­циальный барьер р-n-перехода. Но заметная инжекция может наблюдаться только при прямых напряжениях в несколько десятых долей вольта. При меньших напряжениях прямые токи в обращенных диодах оказываются меньше обратных (рис.3).Т. о., ОД обладают выпрямляющим эффектом, но пропускное (проводящее) направление у них соответствует обратному включению, а запирающее (непроводящее) — прямому включению (рис.10).

ОД 1) способны работать на очень малых сигналах; 2) должны обладать хорошими частотными свойствами, так как туннелирование — процесс малоинерционный (С_диф=0), а эффекта накопления неосновных носителей при малых U_пр практиче­ски нет. Поэтому ОД можно использовать на СВЧ (до 50 ГГц); 3), из-за относительно большой концентрации примесей в прилегающих к p-n-переходу областях ОД ока­зываются мало чувствительными к воздействиям проникающей ра­диации.