Электронные твердотельные приборы и микроэлектроника

Диод Шоттки, туннельный и обращенный диоды, диоды с накоплением заряда (диод Ганна).

Диодами Шоттки называются диоды, выпрямляющие свойства которых обусловлены образованием электрического перехода в n-полупроводнике контактирующем с металлом, работа выхода которого превышает работу выхода полупроводника (рис. 11.4а). Поскольку А_m>А_n, то при образовании контакта в металл будет переходить вначале больше электронов, чем их переходит из металла в полупроводник. Приконтактный слой полупроводника обедняется электронами, в нем образуется положительный пространственный заряд и края зон смещаются, как в любом другом электрическом переходе.

Так как концентрация электронов в металле на несколько порядков выше концентрации электронов в полупроводнике, то переход будет лежать целиком в n-полупроводнике. Проникновение поля в металл будет ничтожно малым.

Контактная разность потенциалов, определяющая высоту потенциального барьера для электронов n-полупроводника в равновесном состоянии, будет, очевидно, равна разности работ выхода, выраженных в электроновольтах

(11.14)

Работа перехода электронов из металла в полупроводник равна разности работы выхода металла А_m и электронного сродства c_n электронов полупроводника (рис. 11.3.б)

(11.15)

Поскольку поле в металл не проникает, то эта работа от величины приложенного к диоду внешнего напряжения не зависит, в то время как высота потенциального барьера для электронов полупроводника, при их переходе в металл, будет изменяться с изменением приложенного напряжения как и во всяком электрическом переходе. На этом основано выпрямляющее действие диода Шоттки.

Переход электронов из металла в полупроводник можно рассматривать как своеобразную термоэлектронную эмиссию через барьер, высота которого определяется (11.15). Следовательно, число электронов переходящих из металла в полупроводник за единицу времени, будет равно

(11.16)

Результирующий поток электронов будет равен:

(11.17)

Учитывая, что при равновесии (U₀=0) имеет место равенство

и умножая (11.17) на заряд электрона q, получим уравнение идеализированной электродной характеристики диода Шоттки

(11.18)

В котором А = А^`q - константа Зоммерфельда. Как видим, формально статическая характеристика диода Шоттки имеет такой же вид, как и у диодов на p-n переходе, хотя значение тока насыщения J₀ иное.

По существу же, диод Шоттки обладает целым рядом достоинств, по сравнению с обычными диодами. Важнейшим из этих достоинств является исключительно малая инерционность. Диоды Шоттки могут работать на частотах в несколько десятков гигагерц. Связано это с тем, что в диодах Шоттки, как видно из приведенных энергетических диаграмм, роль "базы", в которую происходит инжекция электронов при прямом включении, выполняет металл, где эти "горячие" электроны практически мгновенно (за 10^-13…10^-12 сек) рассеивают избыточную энергию и становятся термодинамически равновесными электронами. Никакого накопления заряда в "базе" не происходит. Диффузионная емкость равна нулю. Таким же естественным образом решается проблема сопротивления базы, так как оно определяется сопротивлением металла. Что касается барьерной емкости, то она также может быть сделана достаточно малой, как путем уменьшения площади перехода, так и путем увеличения его ширины при использовании структуры металл-n-n⁺полупроводник.

Технология изготовления диодов Шоттки довольно сложна из-за трудностей устранения различного рода поверхностных дефектов полупроводника.

Туннельным диодом называется диод на основе вырожденных полупроводников, в котором из-за перекрытия зон туннельный эффект приводит к появлению на электродной характеристике при прямом включении участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Энергетическая диаграмма p-n перехода в вырожденных полупроводниках и электродная характеристика приведены на рис. 11.4. Степень вырождения полупроводников такова, что уровни Ферми лежат в разрешенных зонах и в состоянии термодинамического равновесия дно зоны проводимости n-полупроводника лежит ниже потолка валентной зоны р-полупроводника. Так как ширина перехода очень мала, то обмен электронами в состоянии равновесия происходит главным образом за счет их туннелирования сквозь потенциальный барьер. При малых значениях прямого напряжения, когда дно зоны проводимости n-полупроводника смещается вверх, число туннельных переходов электронов из n-полупроводника в р-полупроводник возрастает и становится больше числа таких же переходов в состоянии равновесия. Число обратных туннельных переходов при этом, напротив, уменьшается. В результате возникает прямой туннельный ток диода, возрастающий с ростом приложенного напряжения. Это возрастание, однако, имеет место лишь до тех пор, пока квазиуровень Ферми n-полупроводника не поднимется до уровня потолка валентной зоны р-полупроводника. Дальнейшее увеличение прямого напряжения приведет к тому, что все большая часть заполненных уровней зоны проводимости n-полупроводника будет приходиться против запрещенной зоны р-полупроводника, куда туннелирование невозможно. Прямой туннельный ток станет уменьшаться. Так как ток надбарьерной инжекции электронов при этих напряжениях еще мал, то уменьшение туннельного тока буде означать и уменьшение полного тока. Когда прямое напряжение достигает значений, при которых становится существенной надбарьерная инжекция, полный ток вновь начинает возрастать.

При обратном включении диода превалируют туннельные переходы электронов из р-полупроводника в n-полупроводник (образование электронно-дырочных пар). Ток непрерывно нарастает с ростом обратного напряжения.

Наличие участка характеристики с отрицательным дифференциальным сопротивлением является той особенностью туннельных диодов, которая позволяет использовать их в качестве усилителей и генераторов электрических колебаний высоких и сверхвысоких частот, а также в схемах сверхвысокоскоростного переключения (цифровые или логические схемы). Изготавливаются туннельные диоды из германия или арсенида галлия. Германиевые диоды имеют меньший уровень собственных шумов, что важно при их использовании в качестве усилителей. Диоды из арсенида галлия обладают большим значением напряжения U_с, соответствующего максимуму туннельного тока (~1В, вместо ~0,4В для германия), поэтому им отдается предпочтение при использовании в цифровых схемах и генераторах.

Высокое быстродействие туннельных диодов обусловлено тем, что сам туннельный эффект безинерционен и развитие процесса определяется временем релаксации электрического поля в полупроводнике t=re₀e, которое составляет величину порядка 10^-12…10^-13с. Таким образом, реально, инерционность диода будет обусловливаться только наличием барьерной емкости и индуктивности выводов L, которая становится существенной на сверхвысоких частотах.

Предельную частоту можно определить, опираясь на эквивалентную схему туннельного диода, представленную на рис.11.5.На этой схеме R-сопротивление потерь в полупроводнике.

Полное сопротивление диода в режиме отрицательного дифференциального сопротивления равно

(11.19)

Отсюда, активная составляющая полного сопротивления

(11.20)

Диод представляет активный элемент, пока величина r меньше нуля. Предельной частотой w_п называют частоту, на которой r становится равным нулю. Из (11.20) получаем

(11.21)

Обращенным диодом называется диод на основе вырожденных полупроводников, у которых степень вырождения подобрана так, что уровень Ферми совпадает с краями соответствующих разрешенных зон. В таких диодах проводимость при обратном напряжении значительно больше проводимости при прямом напряжении.

Если обратиться к рис. 11.4 и представить, что уровень Ферми совпадает с потолком валентной зоны р-полупроводника и дном зоны проводимости n-полупроводника, то можно усмотреть, что при прямом смещении туннельные переходы будут невозможны. При обратном же смещении они будут иметь такую же интенсивность как и в туннельных диодах. Следовательно, прямая проводимость будет обусловлена только надбарьерной инжекцией, а обратная проводимость туннельным эффектом. Крутизна нарастания тока инжекции при малых напряжениях очень мала и, во всяком случае, значительно меньше крутизны нарастания обратного туннельного тока. Таким образом, пропускным направлением для такого диода является направление обратного включения, запирающим - прямое включение. Отсюда и название - обращенный диод. Достоинством обращенного диода является исключительно малое падение напряжения в пропускном направлении и сохранение сверхвысокочастотных свойств туннельного диода. Это позволяет использовать его в качестве детектора, смесителя и т. д. на сверхвысоких частотах при условии малой амплитуды сигнала (когда токи прямого включения еще малы).

Диоды Ганна используются в основном для генерирования колебаний ВЧ и СВЧ. В основе принципа действия этих диодов лежит эффект Ганна, проявляющийся наиболее сильно в кристаллах арсенида галлия электронного типа. Этот эффект связан с особой зависимостью подвижности электронов проводимости от напряженности электрического поля. Далее все физические величины, относящиеся к слабому и более сильному полям обозначаются соответственно индексами 1 и 2. В слабых электрических полях подвижность электронов относительно велика и постоянна m_n1=const. Плотность дрейфового тока прямо пропорциональна Е, т.е. , где n_n – концентрация электронов проводимости в полупроводнике, – проводимость полупроводника, величина, прямо пропорциональная тангенсу угла наклона характеристики на участке ОА (рис. 11.6 (а)).

При увеличении напряженности электрического поля вследствие увеличения скорости электронов между соударениями и повышения частоты этих соударений происходит уменьшение подвижности электронов, называемых «горячими». При некотором пороговом значении все электроны становятся «горячими», поэтому,где - подвижность «горячих» электронов, - проводимость полупроводника при , величина, прямо пропорциональная тангенсу угла наклона характеристики на участке ВС.

Переход из одного состояния к другому изображается на характеристике (рис. 11.6 (а)), падающим участком ab, в пределах которого диод обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением.

В работающем диоде к пластине кристалла с хорошими омическими контактами прикладывается напряжение (плюс к аноду, минус к катоду – рис. 11.7(а)), создающее напряженность электрического поля чуть меньше критической. Поэтому в начальный момент в кристалле возникает ток с плотностью, чуть меньшей j_a (рис.11.6 (а)), определяемый электронами с большой подвижностью m_n1.

Из-за неоднородности структур (контакт-кристалл) напряженность поля в области контактов оказывается больше критической (рис.11.7.(б), кривая 1). Около катода при появляются электроны, обладающие меньшей подвижностью m_n2. Отставание этих электронов () приводит к образованию возле катода так называемого домена – двойного электрического слоя, в котором слева находится заряд замедленных электронов, а справа – некомпенсированный заряд доноров, проявившийся в связи с отставанием электронов от общего потока. В этом домене возникает дополнительная напряженность поля , усиливающая начавшийся процесс. Кроме того, рост напряженности поля в домене при неизменном внешнем напряжении должен приводить к снижению напряженности поля до за пределами домена (рис.11.7(б), кривая 2). Значения поля в домене Е_В и вне его Е_А можно найти из условия, что все электроны на участке домена и за его пределами должны двигаться к аноду с одинаковыми скоростями , создавая ток с плотностью (рис. 11.6 (б)). С такой же скоростью движется к аноду и сам домен (рис. 11.7 (в)). Достигнув анода, доме исчезает, в результате чего восстанавливается исходное значение напряженности поля и возникают условия для зарождения возле катода нового домена и т.д.

Таким образом, работающий диод Ганна формирует импульсный ток с длительностью импульсов (равной сумме времени зарождения и исчезновения домена) с периодом следования, равным времени прохождения домена через кристалл где длина кристалла; скорость движения домена. Нетрудно заметить, что в этом режиме диод Ганна генерирует колебания с постоянным периодом, определяемым длиной кристалла . В предельном случае, когда домен занимает весь кристалл, колебания приобретают почти гармоническую форму с частотой .

Если к диоду Ганна вместе с постоянным напряжением, создающим напряженность электрического поля в пределах , приложить быстропеременное напряжение с частотой , то домен не будет успевать полностью формироваться. При увеличивающемся внешнем напряжении напряженность поля в кристалле будет увеличиваться, а проводимость и ток – уменьшаться. При уменьшающемся внешнем напряжении напряженность поля уменьшается, а проводимость и ток – увеличиваются. Следовательно, диод Ганна в этом режиме, получившем название режима с ограниченным накоплением объемного заряда, ведет себя как отрицательное динамическое сопротивление и может использоваться как источник СВЧ колебаний, рабочая частота которого (до 300 ГГц) определяется не диодом, а резонансной системой, подключенной к диоду.

Контрольные вопросы:

_1. Расскажите об основных методах изготовления полупроводниковых диодов.

2. Какие полупроводниковые диоды называются варикапами? Назовите основные параметры варикапов.

3. Дайте определение диоду Шоттки. Выведите уравнение идеализированной электродной характеристики диода Шоттки.

4. Что такое туннельный диод? Нарисуйте эквивалентную схему туннельного диода и поясните ее.

5. Расскажите об особенностях работы обращенных и лавинно-пролетных диодов.

Литература:

1. Андреев И.С., Арипов Х.К., Атаметов Р.К., Рахматов Ш.Б. Методическое руководство по экспериментальному определению параметров диодов и расчету устройств на их основе с помощью ПЭВМ. – Т.: ТЭИС, 1991.

2. Бочаров Л.Н. Электронные приборы: Учебник для техникумов. - М.: Энергия, 1979.

3. Викулин И.М., Стафеев В.И. Физика полупроводниковых приборов. – М.: Сов. радио, 1980.

4. Кушманов И.В., Васильев Н.И., Леонтьев А.Г. Электронные приборы. - М.: Связь, 1973.

5. Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника: Учебное пособие для ВУЗов / Ю.Л. Бобровский, С.А. Корнилов, И.А. Кратиров и др. Под ред. Проф. Н.Д.Федорова. - М.: Радио и связь, 1998.

6. Электронные приборы: Учебник для ВУЗов / В.Н. Дулин, Н.А. Аваев, В.П. Демин и др.; Под ред. Г.Г. Шишкина. – 4-е изд., перераб. и доп.- М.: Энергоатомиздат, 1989.- 496 с.: ил.

Оглавление:

Лекция 6. Начальные сведения о полупроводниках……………………….3

Лекция 7. Неоднородные полупроводники. Электрические переходы….17

Лекция 8. Нарушение равновесия в p-n-переходе………………………...31

Лекция 9. Полупроводниковые диоды…………………………………….39

Лекция 10. Пробой p-n-перехода. Стабилитрон…………………………...52

Лекция 11. Типы диодов…………………………………………………….67

Литература…………………………………………………………………...82

У ч е б н о е и з д а н и е

План 2001/2002 уч.г.

Хайрулла Кабилович Арипов

Ахмед Маллаевич Абдуллаев

Галина Николаевна Кузьмина

Евгений Витальевич Объедков

Ирина Александровна Королева

Р а з д е л

Дата добавления: 2014-01-06