6. Фізичні властивості і застосування

Перш за все, слід сказати, що фізичні властивості напівпровідників найбільш вивчені в порівнянні з металами і діелектриками. Неабиякою мірою цьому сприяє величезна кількість ефектів, які не можуть бути наблюдаеми ні в тих ні в інших речовинах, передусім пов'язані з пристроєм зонної структуринапівпровідників, і наявністю досить вузької забороненої зони. Звичайно ж, основним стимулом для вивчення напівпровідників є виробництвонапівпровідникових приладів і інтегральних мікросхем - це в першу чергу відноситься до кремнію, але зачіпає і інші сполуки ( Ge, GaAs, InP, InSb).

Кремній - непрямозонних напівпровідник, оптичні властивості якого широко використовуються для створення фотодіодів і сонячних батарей, проте його дуже важко змусити працювати як джерело світла, і тут поза конкуренцією прямозоні напівпровідники - з'єднання типу A ^III B ^V, серед яких можна виділити GaAs, GaN, які використовуються для створення світлодіодів і напівпровідникових лазерів.

Власний напівпровідник при температурі абсолютного нуля не має вільних носіїв в зоні провідності на відміну від провідників і веде себе якдіелектрик. При легуванні ситуація може змінитися (див. вироджені напівпровідники).

У зв'язку з тим, що технологи можуть отримувати дуже чисті речовини, постає питання про новий еталоні для числа Авогадро.

Тунельний діод - напівпровідниковий елемент електричного кола з нелінійною вольт-амперною характеристикою, на якій існує ділянка з від'ємною диференційною провідністю.

В тунельному діоді використовується сильно легований p-n перехід, крізь який носії заряду можуть тунелювати при умові збігу енергій донорних рівнів електронів у n-області і акцепторних рівнів дірок у p-області. Струм через p-n перехід зростає для значеньнапруги, при яких такий збіг створюється, але зменшується при більшій напрузі, створюючи ділянку з від'ємною диференційною провідністю.

Винайшов тунельний діод у 1957 році Ісакі Леона. В 1973 році він отримав Нобелівську премію з фізики за відкриття явищатунелювання електрона.

Тунельні діоди відносно стійкі до іонізуючого випромінювання, в порівнянні з іншими діодами. Це робить їх придатними для застосування в середовищах з високими рівнями радіації, наприклад, у космосі.

Тунельним називається напівпровідниковий діод, у якому використовується тунельний механізм переносу носіїв заряду через р-п перехід і в характеристиці якого є область негативного диференціального опору. Для виготовлення тунельних діодів використовуються германій, арсенід і антимонід галію. Найбільш широке поширення одержали германієві тунельні діоди. Властивості тунельного діода визначаються формою його вольт-амперної характеристики, для зняття якої може бути використана схема, приведена на рисунку 14, а. Нагадаємо лише, що на ділянці АБ вольтамперной характеристики (рисунок 14, б) тунельний діод може бути еквівалентно замінений деяким негативним опором визначеної величини.

Рисунок 14 – Схема включення (а) і вольт – амперна характеристика (б) тунельного діода

Однак тунельний діод сам по собі не може бути генератором електричної енергії, тому що це суперечить закону збереження енергії. Справа в тім, що негативний опір служить зручним математичним символом, а не реальною фізичною величиною, і означає лише, що на деякій ділянці вольт - амперної характеристики приладу збільшення напруги зменшує струм (і навпаки). Усі відомі прилади можуть підсилювати і генерувати електричні сигнали лише при подачі на них енергії від зовнішніх джерел (акумуляторів, батарей). У таких пристроїв к.к.д. завжди менше одиниці, а негативний опір в них виконує функцію автоматичного (у генераторах) чи керуючого зовнішнім сигналом (у підсилювачах) клапана, що регулює надходження електричної енергії від джерела живлення в навантаження. Важлива перевага тунельного діода перед звичайними напівпровідниковими приладами полягає в його дуже високій робочій частоті. Це порозумівається тим, що тунельний перехід електронів відбувається практично миттєво порядку 10-13 с. Виготовлені в даний час тунельні діоди можуть працювати на частотах до 1011 Гц. Основними параметрами тунельних діодів є: Піковий струм І_п — прямий струм у точці максимуму вольт - амперної характеристики (рисунок 14, б). Струм западини І_в — прямий струм у точці мінімуму вольт - амперної характеристики. Напруга піка U_n - пряма напруга, що відповідає піковому струму. Напруга западини U_в — пряма напруга, що відповідає мінімальному струму. Напруга розчину U_р — пряма напруга на другій восхідній галузі при струмі, який дорівнює піковому. Ємність діода С_д — сумарна ємність переходу і корпуса діода при заданій напрузі зсуву. По призначенню тунельні діоди поділяються на наступні основні групи: підсилювальні, генераторні, перемикаючі. Основний у більшості перемикаючих схем на тунельних діодах є ланцюг, що представляє собою послідовне з'єднання тунельного діода з іншими елементами. Приклад такого ланцюга показаний на рисунку 15, а.

Рисунок 15 – застосування тунельного діода в режимі ключа: а – схема; б – графічне пояснення роботи

До подачі змінного вхідного сигналу під дією зовнішньої напруги Е в колі діода тече постійний струм І 0 ,а до діода прикладається напруга U1= Е— І0R1 При подачі змінного сигналу в залежності від його полярності струм у ланцюгу діода буде або зменшуватися на величину i, або збільшуватися на ту ж величину. При струмі І0— i на діоді буде напруга U2 (рисунок 15, б), а при струмі І0 + i — напруга U3. Потім у міру зменшення струму напруга на діоді упаде до величини U4 і потім стрибком зміниться до U1. У результаті при негативній напрузі сигналу напруга на діоді (і на виході) буде дорівнює U2, а при позитивному значенні дорівнює U3 причому U3 << U2. Ця різка різниця між величинами напруг на виході і дозволяє розглядати тунельний діод як прилад із двома стійкими станами, тобто електронний ключ. Перехід з одного стійкого стану в інший відбувається дуже швидко за час 10-9...10-8 с., у зв'язку з чим тунельні діоди принципово придатні для роботи в електронних обчислювальних машинах (у схемах тригерів, що запам'ятовують осередків, логічних елементів і т.д.).

Тунельний діод - напівпровідниковий елемент електричного кола з нелінійною вольт-амперною характеристикою, на якій існує ділянка з від'ємною диференційною провідністю.

В тунельному діоді використовується сильно легований p-n перехід, крізь який носії заряду можуть тунелювати при умові збігу енергій донорних рівнів електронів у n-області і акцепторних рівнів дірок у p-області. Струм через p-n перехід зростає для значеньнапруги, при яких такий збіг створюється, але зменшується при більшій напрузі, створюючи ділянку з від'ємною диференційною провідністю.

Винайшов тунельний діод у 1957 році Ісакі Леона. В 1973 році він отримав Нобелівську премію з фізики за відкриття явищатунелювання електрона.

Тунельні діоди відносно стійкі до іонізуючого випромінювання, в порівнянні з іншими діодами. Це робить їх придатними для застосування в середовищах з високими рівнями радіації, наприклад, у космосі.

Тунельні і звернені діоди  Тунельний діод - це напівпровідниковий діод з урахуванням виродженого напівпровідника, в якому тунельний ефект призводить до появи на вольт - амперної характеристики при прямій напрузі ділянки негативного диференціального опору.  Тунельний діод виготовляється з германію або арсеніду галію з дуже великою концентрацією домішок, тобто з дуже малою питомою опором. Такінапівпровідники з малим опором називають виродженими. Це дозволяє отримати дуже вузький р-n-перехід. У таких переходах виникають умови для відносно вільного тунельного проходження електронів через потенціальний бар'єр (тунельний ефект). Тунельний ефект призводить до появи на прямий галузі ВАХ діода ділянки з негативним диференціальним опором. Тунельний ефект полягає в тому, що при досить малій висоті потенційного бар'єра можливе проникнення електронів через бар'єр без зміни їх енергії.  Основні параметри тунельних діодів:  · Піковий струм Iп - прямий струм у точці максимуму ВАХ;  · Струм западини Iв - прямий струм в точці мінімуму ВАХ;  · Ставлення струмів тунельного діода Iп / Iв;  · Напруга піку Uп - пряму напругу, відповідне піковому струму;  · Напруга западини Uв - пряму напругу, відповідне току западини;  · Напруга розчину Uрр.  Тунельні діоди використовуються для генерації та посилення електромагнітних коливань, а також у швидкодіючих перемикаючих та імпульсних схемах.  Малюнок 3.7 - Вольт-амперна характеристика тунельного діода  Звернений діод - діод на основі напівпровідника з критичною концентрацією домішок, в якому провідність при зворотній напрузі внаслідок тунельного ефекту значно більше, ніж при прямій напрузі.  Принцип дії зверненого діода заснований на використанні тунельного ефекту. Але у звернених діодах концентрацію домішок роблять менше, ніж у звичайних тунельних. Тому контактна різниця потенціалів у звернених діодів менше, а товщина р-n-переходу більше. Це призводить до того, що під дією прямого напруги прямої тунельний струм не створюється. Прямий струм у звернених діодах створюється інжекцією не основних носіїв зарядів через р-n-перехід, тобто прямий струм є дифузійним. При зворотній напрузі через перехід протікає значний тунельний струм, створюваний переміщення електронів крізь потенційний бар'єр з р-області в n-область. Робочим ділянкою ВАХ зверненого діода є зворотна гілка.  Таким чином, звернені діоди мають випрямляючих ефектом, але пропускне (проводить) напрям у них відповідає зворотному включенню, а замикає (непроводящее) - прямому включенню.  Малюнок 3.8 - Вольт-амперна характеристика зверненого діода  Навернені діоди застосовують в імпульсних пристроях, а також в якості перетворювачів сигналів (змішувачів і детекторів) в радіотехнічних пристроях.