При равных токах i1 = i2 tp ≈ 0,7η. Время рассасывания пропорционально времени жизни неосновных носителей.
Заметим, что в процессе рассасывания неосновных носителей диод остается открытым и напряжение на нем соответствует прямому смещению (временная диаграмма для ud на рис. 2.7). В момент переключения имеется небольшой скачок напряжения, вызываемый изменением падения напряжения на малых сопротивлениях тела кристалла Rп и Rp с учетом смены направления тока:
ud Rn Rp i1 i2
Вдиодах с быстрым переключением уменьшают время жизни носителей введением примесей, образующих рекомбинационные ловушки. Введение примесей золота в кремний позволяет уменьшать η до единиц и долей нсек. Большая концентрация рекомбинационных примесей увеличивает ток и тем ухудшает вольтамперные характеристики диода. Диоды на JaAs обладают малым η из-за сильного влияния очень малой концентрации примесей и могут быть сделаны быстродействующими с временем переключения менее 0,1 нсек.
2.5.Туннельный диод
Вр-п диодах с тонким запорный слоем становится существенным
туннелирование электронов через тонкий потенциальный барьер. В обычных полупроводниковых р-п диодах концентрация примесей 1014 – 1015 см–3 (относительная концентрация примесей около 10–8), что дает запорный слой
шириной порядка нескольких микрон. Если концентрацию примесей увеличить до 1018 – 1019 см–3, то ширина запорного слоя при резком переходе уменьшится обратно пропорционально корню квадратному увеличения
концентрации примесей 1 |
|
|
(см. (2.33)), т.е. в |
100 |
раз. |
Ширина |
|
N |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
запорного слоя станет равной T n 10 8 |
o |
|
|
|
|||
м n 100A , |
где п |
= 1 |
– 10 в |
||||
зависимости от концентрации примесей. В данном случае ширина запорного слоя и, следовательно, потенциального барьера в десятки раз меньше длины волны видимого света. Через такие тонкие барьеры электрон может проникать, не имея достаточной энергии, чтобы преодолеть высоту барьера. Имеется конечная вероятность того, что электрон окажется по другую сторону барьера, т.е. туннелирование электрона. Диоды с таким механизмом переноса электронов в р-п структуре были получены Эсаки в 1958 году.
Вольтамперная характеристика туннельного диода приведена на рис.
2.8.
i/In |
Je |
JaAs |
|
1,0 |
|
||
|
|
|
|
0,5 |
|
|
|
Iв/In |
uв |
un |
u |
|
|||
0 |
0,5 |
1,0 |
|
Рис. 2.8. Вольтамперные характеристики туннельного диода
В области малых напряжений диод хорошо проводит. Имеется характерный пик тока IП при небольшом прямом напряжении (uП ≈ 0,05 В для Ja и uП ≈ 0,15 В для JаAs – диодов) и следующий за пиком участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. В области впадины ( uв ≈ 0,3 В для JаAs и uв ≈ 0,6 В для JаAs диодов) преобладающим механизмом переноса тока становится диффузионный механизм обычного р-п диода. При напряжении uН (номинальное напряжение uН ≈ 0,5 для JаAs и uН ≈ 1,1 В для JаAs – диодов) диффузионный ток взрастает до уровня пика IП. Характеристика кремниевого диода занимает промежуточное положение с большей относительной величиной тока впадины IВ/IП ≈ 4. Для диодов из германия и арсенида галлия IВ/IП = 10 – 20. Они и получили наибольшее распространение.
Вид характеристики диода удобно пояснить на энергетических зонных диаграммах р-п кристалла (рис. 2.9).
a) |
u = 0 |
|
б) |
u > 0 |
|
εg |
εF = |-eu0| |
εg |
εF = |-e(u0 – u)| |
|
|
|
|
T
Рис. 2.9. Энергетические диаграммы туннельного диода
При высокой концентрации примесей высота потенциального барьера ε0 становится больше величины энергетического зазора кристалла εg и уровень Ферми, общий для р-п структуры, располагается внутри валентной зоны в р- области и внутри зоны проводимости в п - области, так что полупроводник становится вырожденным. В отсутствие возбуждения все уровни ниже уровня Ферми являются занятыми. Имеется конечная вероятность туннелирования электронов через тонкий потенциальный барьер. При u = 0 туннельные переходы взаимно уравновешиваются и ток диода равен нулю.
При u > 0 занятые уровни зоны проводимости располагаются против свободных уровней валентной зоны (рис. 2.9 б). Вероятность туннелирования из п в р – кристалл возрастает. При u < 0 верхние занятые уровни валентной зоны располагаются против свободных уровней зоны проводимости. Это соответствует начальному участку характеристики туннельного диода (рис. 2.8). При u = uП туннельный ток достигает максимума и при дальнейшем увеличении напряжения уменьшается вследствие уменьшения перекрытия энергетических зон, отделенных тонкий барьером.
При u > uВ вероятность туннелирования продолжает уменьшаться. Понижение потенциального барьера вызывает увеличение диффузионного тока, т.е. механизм проводимости диода становится таким же, как и в р-п диоде с умеренной концентрацией примесей. Участок характеристики диода в области u > uВ является преимущественно диффузионным, а при u < uВ – туннельным.
Характерными свойствами диода на туннельной участке является малая инерционность и высокая температурная стабильность. Туннелирование происходит со скоростью света, и скорость процессов ограничивается шунтирующими емкостями и величиной токов. Достигнуто время переключения до долей нсек. Параметры IП и uП изменяются на 10% при изменении температуры от – 50°С до 150°С. Параметры IВ , uВ, uН сильно зависят от температуры, так как определяются поведением диффузионной ветви характеристики.
Наличие отрицательного участка характеристики позволяет использовать туннельные диоды при построении усилителей и генераторов. Наименьшее отрицательное дифференциальное сопротивление получено у диодов из JaSb . СВЧ усилители на туннельных диодах отличается малым уровнем собственных шумов.
Обращенный диод. Если уменьшить концентрацию примесей в материале, идущим на изготовление туннельных диодов, то пиковый ток уменьшится и участок с отрицательным сопротивлением практически исчезнет. В прямом направлении ток будет в основном диффузионным, а в обратном – туннельным (рис. 2.10)
i |
|
|
|
Je |
JaAs |
In |
uв |
u [B] |
|
||
0 |
0,5 |
1,0 |
Рис. 2.10. Вольтамперные характеристики обращенного диода
Такой диод обладает хорошо выраженным нелинейным участком характеристики при малых напряжениях и дает выпрямительный эффект при