Полупроводниковые приборы СВЧ-диапазона

Вырожденные полупроводники.

Туннельный эффект.

Основные физические процессы в туннельном диоде.

Вольтамперная характеристика туннельного диода.

Обращенный диод.

Основные физические процессы в диоде Ганна.

Вольтамперная характеристика диода Ганна.

Литература [1–3, 5–9, 13–18, 23, 24, 32, 33].

Туннельным диодомназывают полупроводниковый диод на основе
p⁺-n⁺ – пе­рехода с сильнолегированными областями, на прямом участке вольт-амперной характеристики которого наблюдается n -образная зависимость тока от напряжения. Таким образом туннельный диод – это диод, образованный двумя вырожденными полупроводниками.

Если концентрация доноров и акцепторов в эмиттере и базе диода будет N _A, N _D ~ 10²⁰ см^-3, то концентрация основных носителей будет много больше эффективной плотности состояний в разрешенных зонах p _p0, n _n0 >> N _C, N _V. В этом случае уровень Ферми будет находиться в разрешенных зонах p⁺ и n⁺ полупроводников. В полупроводнике n⁺ -типа все состояния в зоне проводимости вплоть до уровня Ферми заняты электронами, а в полупроводнике p⁺ -типа – дырками.

При обратном напряжении ток в туннельном диоде обусловлен туннельным переходом электронов из валентной зоны на свободные места в зоне проводимости. Поскольку концентрация электронов и число мест велики, то туннельный ток резко возрастает с ростом обратного напряжения. Такое поведение вольтамперных характеристик резко отличает туннельный диод от обычного выпрямительного диода.

При прямом напряжении ток в диоде обусловлен туннельным переходом электронов из зоны проводимости на свободные места в валентной зоне. Вольтамперная характеристика туннельного диода при прямом смещении характеризуется четырьмя участками. На участке 1 при небольшом прямом напряжении напротив электронов зоны проводимости начинают появляться свободные места в валентной зоне при той же самой энергии. По мере роста напряжения число свободных мест возрастает, и ток растет с ростом напряжения. Туннельный ток достигает максимума, когда все свободные места в валентной зоне оказываются по энергии напротив энергетических уровней, занятых электронами в зоне проводимости (участок 2). Затем, по мере роста прямого напряжения, число этих свободных мест начинает уменьшаться, поскольку по энергии напротив уровней, занятых электронами в зоне проводимости, оказываются состояния в запрещенной зоне (энергетические уровни в идеальных полупроводниках в запрещенной зоне отсутствуют). На участке 3 туннельный ток уменьшается с ростом напряжения и превращается в ноль, когда запрещенная зона p⁺ полупроводника будет находиться по энергии напротив уровней, занятых электронами в зоне проводимости. При дальнейшем росте прямого напряжения появляется компонента обычного диффузионного тока p-n – перехода.

Туннельный диод имеет высокие значения максимальной граничной частоты f _max ~ 10⁹ Гц, поскольку времена процессов при туннелировании составляют наносекунды, то есть τ_min ~ 10^-9 c. По этой причине туннельные диоды используются в СВЧ-технике.

В случае, когда энергия Ферми в вырожденных электронном и дырочном полупроводниках совпадает или находится на расстоянии ± kT/q от дна зоны проводимости или вершины валентной зоны, вольт-амперные характеристики такого диода при обратном смещении будут точно такие же, как и у туннельного диода. То есть при росте обратного напряжения будет быстрый рост обратного тока. Что касается тока при прямом смещении, то туннельная компонента ВАХ будет полностью отсутствовать в связи с тем, что нет полностью заполненных состояний в зоне проводимости. Поэтому при прямом смещении в таких диодах до напряжений, больше или равных половине ширины запрещенной зоны, ток будет отсутствовать. С точки зрения выпрямительного диода вольт-амперная характеристика данного диода будет инверсной, то есть будет высокая проводимость при обратном смещении и малая – при прямом. В связи с этим, такие туннельные диоды получили название обращенных диодов.

Обращенный диод – это туннельный диод без участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Высокая нелинейность вольтамперной характеристики при малых напряжениях вблизи нуля (порядка микровольт) позволяет использовать этот диод для детектирования слабых сигналов в СВЧ-диапазоне.

Диод Ганна– полупроводниковый диод, состоящий из однородного полупроводника, генерирующий СВЧ-колебания при приложении постоянного электрического поля. Физической основой, позволяющей реализовать такие свойства в диоде, является эффект Ганна, который заключается в генерации высокочастотных колебаний электрического тока в однородном полупроводнике с N -образной вольтамперной характеристикой.

При приложении электрического поля E (E _пор ≥2–3 кВ/см) к однородным образцам из арсенида галлия n -типа в образце возникают спонтанные колебания тока. Это происходит из-за того, что при E > E _пор в образце, обычно у катода, возникает небольшой участок сильного поля – «домен», дрейфующий от катода к аноду со скоростью ~10⁷ см/сек и исчезающий на аноде. Затем у катода формируется новый домен, и процесс периодически повторяется. Моменту возникновения домена соответствует падение тока, текущего через образец. Моменту исчезновения домена у анода – восстановление прежней величины тока. Период колебаний тока приблизительно равен пролетному времени, т.е. времени, за которое домен дрейфует от катода к аноду.

Вопросы для самопроверки:

1. Что такое туннельный эффект?

2. Вырожденные полупроводники.

3. Принцип работы туннельного диода.

4. Вольтамперная характеристика туннельного диода.

5. Вольтамперная характеристика обращенного диода.

6. Принцип работы диода Ганна.

7. Вольтамперная характеристика диода Ганна.

8. Генерация СВЧ-колебаний в диодах Ганна.

Дата добавления: 2015-05-07