gurtov_v_a_tverdotelnaya_elektronika

Глава 7. Тиристоры

в случае низкого уровня инжекции проводимость, а следовательно, и сопротивление полупроводника при инжекции неосновных носителей не меняются.

Рис. 7.13. Однопереходной транзистор:

а) схема включения; б) вольт-амперная характеристика; в) условно-графическое обозначение; г) эквивалентная схема

В случае высокого уровня инжекции (pn >> nn0) ситуация другая. Поскольку концентрация инжектрированных неосновных носителей больше, чем концентрация основных носителей, в случае высокого уровня инжекции проводимость, а следовательно, и сопротивление полупроводника при инжекции неосновных носителей существенно меняются.

Рассмотрим, каким образом условие высокого уровня инжекции проявляется в вольт-амперных характеристиках однопереходного транзистора. При подаче напряжения между базами Б1 и Б2 вследствие омических контактов к этим базам приложенное напряжение линейно распределится вдоль полупроводниковой базы однопереходного транзистора. Эмиттер однопереходного транзистора Э находится примерно посередине базы. На рис. 7.13 эта точка обозначена буквой А. При положительном потенциале в точке Б2 (например, напряжение питания V = +5 В) величина потенциала в точке А будет также положительна (соответственно V = +2 В). При нулевом напряжении на эмиттере это соотвествует обратному смещению p-n-перехода эмиттер – база. При росте напряжения на эмиттере до тех пор, пока напряжение на эмиттере не сравняется со значением потенциала в точке А, эмиттерный переход будет смещен в обратном направлении. На вольт-амперной характеристике этот участок находится ниже оси абсцисс.

Контрольные вопросы

Когда значение напряжения на эмиттере сравняется и будет чуть выше, чем значение потенциала в точке А, произойдет прямое смещение p-n-перехода эмиттер – база. В этом случае в базу будут инжектированы неосновные носители. База однопереходного транзистора слабо легирована, концентрация основных носителей в ней невелика. Поэтому при прямом смещении эмиттерного перехода легко реализуется критерий высокого уровня инжекции. Это приводит к тому, что в области базы А-Б1 суммарная концентрация основных и неосновных носителей становится выше, чем в равновесном состоянии, а, следовательно, сопротивление этой области уменьшается. На рис. 7.13г эта область базы представлена в виде переменного резистора, сопротивление которого начинает уменьшаться при достижении напряжения на эмиттере.

Уменьшение сопротивления базы на участке А-Б2 вызывает уменьшение потенциала в точке А, формируемого за счет источника питания в цепи Б1-Б2. Это, в свою очередь, увеличивает прямое смещение эмиттерного перехода и величину инжекционного тока. Такая положительная обратная связь обуславливает переключение однопереходного транзистора в состояние с высоким значением тока эмиттера. Переходной участок ВАХ является участком с отрицательным дифференциальным сопротивлением и показан на рис. 7.13б. В стационарном состоянии на участке с высоким значением тока вольт-амперная характеристика однопереходного транзистора описывается как ВАХ диода в режиме высокого уровня инжекции, ток которого ограничен объемным сопротивлением базы диода.

Контрольные вопросы

7.1.Каковы особенности конструкции тиристора?

7.2.На каком участке ВАХ тиристора идет накопление объемного заряда в базах тиристора?

7.3.Какова причина зависимости коэффициента передачи от напряжения на тиристоре?

7.4.Как влияет знак тока базы на напряжение переключения тиристора?

7.5.Почему ВАХ тиристора имеет участок отрицательного сопротивления?

ГЛАВА 8

ЛАВИННО-ПРОЛЕТНЫЕ

ДИОДЫ

8.1. Общие сведения

Лавинно-пролетным диодом (ЛПД) называют полупроводниковый диод с отрицательным сопротивлением в СВЧ-диапазоне, работающий при обратном смещении p-n-перехода в режиме лавинного умножения носителей заряда и их пролета через область пространственного заряда (ОПЗ) полупроводниковой структуры. Теоретические разработки с описанием идеи создания ЛПД впервые были изложены У. Ридом

в1958 году, поэтому базовый вариант лавинно-пролетного диода на основе асимметричного p-n-перехода обычно называют диодом Рида. Генерация СВЧ-колебаний в такого сорта германиевых структурах впервые наблюдалась в 1959 году А. С. Тагером, а затем в 1965 году на кремниевых диодах Р. Л. Джонсоном [6, 14, 17, 20, 23].

Возникновение отрицательного сопротивления в лавинно-пролетных диодах обусловлено двумя физическими процессами, имеющими конечные времена протекания в ОПЗ p-n-перехода в режиме лавинного умножения. Первый процесс связан с временем нарастания лавинного тока, а второй процесс связан с прохождением носителей через пролетную область. Их суперпозиция приводит к появлению фазового сдвига между током и напряжением на выводах диода. Одним из основных критериев, необходимым для работы ЛПД, является примерное равенство между периодом колебаний СВЧ-поля и характерным временем пролета носителей через ОПЗ.

Вэтом случае пакет инжектированных носителей, дрейфуя через пролетную область в ускоряющем постоянном поле, но тормозящем СВЧ-поле, осуществляет преобразование энергии постоянного электрического поля в энергию СВЧ-колеба- ний, что и служит физической основой для использования лавинно-пролетных диодов

вкачестве генераторов СВЧ-колебаний.

8.2. Устройство и зонная диаграмма

Рассмотрим устройство и параметры лавинно-пролетного диода на основе классического диода Рида со структурой p+-n-i-n+. На рис. 8.1 приведены схема, распределение легирующих примесей, электрического поля и коэффициента ударной ионизации в диоде Рида при напряжении, равном напряжению лавинного пробоя [10, 20, 31].

Для обратносмещенного p-n-перехода максимальное значение напряженности электрического поля наблюдается на металлургической границе, а поскольку коэффициент лавинного умножения, согласно формуле (4.36), сверхэкспоненциально резко зависит от напряженности поля, то практически весь процесс умножения носителей происходит в узком слое высокого поля p-n-перехода, составляющего малую долю ширины обедненной области p+-n-перехода. Ширина области умножения Wу определяется таким образом, чтобы при интегрировании коэффициента ионизации

Глава 8. Лавинно-пролетные диоды

аEСВЧ

бn

0,5Т t

Рис. 8.3. а) Зависимость от времени t напряженности СВЧ-поля ЕСВЧ в слое умножения;

б) зависимость от времени t плотности носителей заряда n, инжектированных из слоя умножения в пролетную область: T — период колебаний СВЧ-поля; в) схема лавинно-пролетного диода с мезаструктурой, смонти-

рованной на теплоотводе:

1 — омический контакт;

2 — сильнолегированный слой с электронной проводимостью (n+-слой);

3 — слаболегированный слой с электронной проводимостью (n-слой);

4 — сильнолегированный слой с дырочной проводимостью (р+-слой); 5 — теплоотводящая металлизированная пластина

На рис. 8.3в показана типичная схема ЛПД со структурой p+-n-n+, смонтированной на теплоотводящей пластине [84].

8.4. Использование ЛПД для генерации СВЧ-колебаний

Полупроводниковая ЛПД-структура обычно монтируется в типовой СВЧ-корпус. Как правило, диод крепится диффузионной областью или металлическим электродом на медный или алмазный теплоотвод для обеспечения эффективного охлаждения p-n-перехода во время работы. Для работы на частотах, соответствующих резонансной частоте собственного контура диода, достаточно поместить диод в разрез коаксиального контура. При работе на частотах, отличных от частоты собственного

SD — одна область дрейфа; DD — две области дрейфа

8.5. Коммутационные pin-диоды

Полупроводниковый диод предназначеный для управления уровнем или фазой СВЧ-сигнала, называется переключательным СВЧ-диодом. Наряду с термином «переключательный» в отечественной литературе применяют также термины «ограничительные» или «коммутационные» диоды, а в зарубежной литературе обычно используется термин «pin-diodes» [30].

Наибольшее распростронение получили переключательные диоды с p-i-n-струк- турой, хотя имеются варианты на основе p-n-перехода и барьера Шоттки. На рис. 8.7а приведена топологическая схема типового pin-диода. Обычно p- и n-области диода легированы до вырождения (n+, p+), активная i-область имеет удельное сопротивление

8.5. Коммутационные pin-диоды

ρi от 100 до 1000 Ом·см с достаточно большим временем жизни неравновесных носителей τэф до 1,0 мкс. Толщина i-слоя базы диода составляет Wi = 3÷30 мкм.

Принцип действия коммутационного pin-диода основан на резком изменении его полного электрического сопротивления при изменении полярности управляющего напряжения или тока. При подаче прямого напряжения pin-диод для СВЧ-сигнала эквивалентен активному сопротивлению по величине, равной доли ома. При подаче обратного напряжения (а также при нулевом напряжении) сопротивление такого диода на СВЧ резко возрастает и составляет величину, равную нескольким килоомам. При обратном смещении коммутационный pin-диод эквивалентен емкости (величина 0,1—1,0 пФ), соединенной последовательно с активным сопротивлением порядка 1 Ом. Коэффициент изменения сопротивления при переключении полярности напряжения на диоде обычно составляет 103 и более раз.

Рис. 8.7. а) Устройство коммутационного pin-диода;

б) эквивалентная схема на высоких частотах при прямом смещении; в) эквивалентная схема на высоких частотах при обратном

смещении

Специфические особенности p-i-n-структуры, существенные для работы диодов в СВЧ-диапазоне, заключаются в следующем.

При работе в прямом направлении на достаточно высоких частотах f, определяемых соотношением:

диффузионная емкость Сдиф p+-i- и n+-i-переходов полностью шунтирует переходы. Таким образом, эквивалентная схема p-i-n-диода сводится к рис. 8.7б, где rпр — сопротивление базы, модулированное прямым током. Соотношение (8.6) заведомо

справедливо на сверхвысоких частотах f > 109 Гц.

При прямом смещении вследствие двойной инжекции дырок из p+-области и электронов из n+-области вся база «заливается» носителями и в эквивалентной схеме (рис. 8.7б) выполняется:

Значения rпр в номинальном режиме близки к величине ~1 Ом; при изменении прямого тока величина rпр может изменяться в широких пределах по закону, близкому к: