Федосеева - Основы электроники и микроэлектроники (Основы электроники и микроэлектроники (книга)), страница 11

Кроме инерционности процессов накопления и рассасывания инжектированных носителей заряда на быстродействие импульс- Обвлнвнный слой цпр обр лвнтраны Рис. Ь20. Структура контакта металл полупроводник и-типа ных диодов оказывает влияние емкость р-и перехода.

Для уменьшения длительности переходных процессов эта емкость не должна превышать долей пикофарады. Уменьшение емкости достигается за счет изготовления р-и переходов с очень малой площадью. Следствием этого является небольшая мощность рассеяния (десятки милливатт). Повышение быстродействия путем ускорения рекомбинации инжектированных в и-базу дырок осуществляется введением в а-область примеси золота; его атомы создают так называемые ловушки для носителей заряда, где происходит интенсивная их рекомбинация.

Другой путь достижения высокого быстродействия — это применение диодов Шоттки, изготовленных на основе электрического перехода металл-полупроводник. Рассмотрим его свойства на примере контакта металла с полупроводником и-типа (рис. !.20). Свободные электроны могут выйти за пределы металла или полупроводника, только преодолев силы притяжения к положительным ионам кристаллической решетки.

Затраченная на это работа совершается электроном за счет сообщения ему дополнительной энергии (например, тепловой) и называется работой выхода )Рп. Если работа выхода нз металла Фп больше, чем из полупроводника )Рпл, то при образовании контакта металл-полупроводник свободные электроны из и-полупроводника начнут под действием больших сил притяжения переходить в металл, заряжая его отрицательно. В полупроводнике около контакта создается слой, обедненный основными носителями заряда и нмеюший в результате этого большое удельное сопротивление.

В этом слое выступят нескомпенсированные положительные заряды ионов доноров. Между отрицательным зарядом металла и положительным зарядом доноров на границе создается внутреннее электрическое поле и образуется потенциальный барьер, называемый барьером Шоттки (по имени ученого, обнаружившего эти свойства контакта). Он препятствует дальнейшему переходу электронов из полупроводника и-типа в металл. Если подвести внешнее напряжение плюсом к металлу, а минусом к полупроводнику, то внешнее электрическое поле будет направлено навстречу внутреннему, потенциальный барьер снизится„ширина обедненного слоя и его сопротивление уменьшатся, через контакт потечет большой прямой ток. При обратном включении внешнего источника потенциальный барьер возрастет, ширина и сопротивление обедненного слоя увеличатся, а в цепи потечет малый обратный ток. Таким образом, контакт металл— полупроводник в случае полупроводника и-типа и при условии Фен ~ (Рвн будет выпрямляющим.

Импульсный диод с барьером Шоттки имеет значительно меньшую длительность переходных процессов, чем диод с р-и переходом, так как в нем нет инжекцин неоновых носителей заряда в базу, поэтому не затрачивается время на накопление и рассасывание зарядов. На его быстродействие влияет только барьерная емкость. К параметрам импульсных диодов помимо общих для всех диодов параметров относятся прямое импульсное напряжение при заданном импульсе прямого тока (унк„н максимально допустимый импульсный прямой ток при заданной длительности /нй„„„„ а также время прямого восстановления у,„ел„и обратного восстановления 1ы „„.

! 3 5 Туннельные диоды Туннельным диодом называют полупроводниковый диод, основанный на туннельном эффекте, при котором прямая ветвь вольт-амперной характеристики имеет падающий участок с отрицательным сопротивлением (рис. !.2!). Благодаря этому свойству туннельный диод может быть использован для усиления и генерирования электрических колебаний.

О возникновении туннельного эффекта было сказано при рассмотрении механизма туннельного пробоя. Для получения этого эффекта необходимо, чтобы энергетические диаграммы полупроводников р- и и-типа сдвигались по вертикали относительно друг друга в слое р-л пе- 47 рехода (см. рис. !.11, в). В результате этого энергетические зоны р-области располагаются выше соответствующих зон л-области, так что нижняя часть зоны проводимости л-области и верхняя часть валентной зоны р-области по горизонтали находятся на одном уровне и разделены очень узкой запрещенной зоной. При этом носители заряда легко могут переходить нз валентной зоны р-области в зону проводимости л-области и обратно.

Чтобы создать туннельный эффект, значительно увеличивают концентрацию примесей в р- н п-областях, за счет чего возрастает электропроводность полупроводников. а Рис. !.2!. Условное графическое обозначение (о) и вольт-ампернан карактеристика (б) туннель- ного диода При определенном начальном сдвиге энергетических диаграмм р- и л-областей без подачи внешнего напряжения встречные потоки электронов из обеих областей уравновешивают друг друга; тока нет.

При небольшом прямом напряжении энергетическая диаграмма р-области опускается ниже, часть валентных электронов р-области оказывается против запрещенной зоны л-области и не может в нее перейти. Поэтому равновесие нарушается, больше электронов переходит нз л-области в р-область, появляется туннельный прямой ток, который при увеличении ()к, до некоторого значения растет (участок вольт-амперной характеристики Π— 1). В точке 1 ток достигает максимума и называется пиковым током туннельного диода 1„. С дальнейшим увеличением 0„, и сдвигом вниз диаграммы р-области туннельный ток уменьшается (участок 1 — 2), так как все меньше электронов зоны проводимости л-области находится против валентной зоны р-области и все больше этих электронов оказывается против запрещенной зоны р-области.

В точке 2 ток достигает минимума и называется током впадины 1,. Падающий участок 1 — 2 характеризуется отрицательным дифференциальным сопротивленнем г,„е = Л!)кр)а1чг ( О, означающим, что Увеличению прямого напряжения соответствует уменьшение прямого тока. В точке 2 туннельный эффект исчезает, так как запрещенные зоны обеих областей располагаются на одном уровне и сливаются в одну сквозную зону.

Дальнейшее увеличение прямого напряжения приводит к росту прямого тока за счет диффузии основных носителей заряда, преодолевающих снижающийся потенциальный барьер, как в обычном диоде (участок 2 — 3). Основными параметрами туннельных диодов являются: пиковый ток 1„; напряжение пика ()„, соответствующее пиковому току; ток впадины 1, и соответствующее ему напряжение впадины 0„; напряжение раствора !)ер — прямое напряжение, большее напряжения впадины, при котором ток равен пиковому на второй восходящей ветви характеристики.

Предельными параметрами являются: максимально допустимый постоянный прямой ток на второй восходящей ветви 1„„„...; максимально допустимый постоянный обратный ток 1ар , 'максимальное постоянное прямое напряжение ()„р,„„,. Емкость С, туннельного диода очень мала. Туннельные диоды изготовляются из германия нли арсенида галлия. Они могут использоваться как переключающие в цепях сверхвысокого быстродействия, а также для усиления и генерирования СВЧ-колебаний, так как нх инерционность очень мала из-за отсутствия инжекции носителей заряда при туннельном эффекте. 1.3.6.

Варикапы Варикал — полупроводниковый прибор, действие которого основано на использовании зависимости емкости от обратного напряжения. Он предназначен для применения в качестве элемента с электрически управляемой емкостью. Рис. !.22. Зависимость барьерной емкости от обратного напрнксенин (о) и условное графическое обозначение варикапа (б) Ообр, В ВО ап Прн рассмотрении свойств р-п перехода говорилось, что его барьерная емкость уменьшается с увеличением обратного напряжения (рис. !.22,а). Поэтому варикап работает при обратном напряжении на р-л переходе. Варнкапы изготовляются на основе кремния и используются в электронных схемах в качестве переменной емкости.

Например, для автоматической подстройки частоты, частотной модуляции. Основными параметрами варнкапов являются: номинальная емкость С между выводами прн заданном обратном напряженны; коэффициент перекрытия по емкости Кс — отношение емкостей варнкапа прн двух заданных значениях обратного напряженая; добротность Я вЂ” отношенне реактивного сопротнвлення варнкапа на заданной частоте к сопротивлению потерь прн заданном значении С нлн (/.аэ; температурный коэффициент емкости сгс; максимально допустнмое обратное напряжение //.в,„,„, н максимально допустимая рассеиваемая мощность. Условное графическое обозначение варнкапа приведено на рнс. (.22,б. (.3.7.

Тяпы н система обозначений диодов Для туннельных диодов, СВЧ-диодов и варикапов первая цифра третьего элемента определяет ик назначение. Например, туннельные диоды усилительные имеют третий элемент от !01 до !99, генераторные — от 20! до 299 и т. дл СВЧ-диоды смесительные — от 101 ло 199, детекторные — от 201 до 299 и т. д.; варикапы подстроечные — от 101 до 199. Третий элемент обозначения стабилитронов также представляет трехзначное число и дается в справочниках по сотням в зависимости от мощности и напряжения стабилизации. Первая цифра при малой мощности (до 0,3 Вт), с напряжением стабилизации до 10  — 1, от 10 до 99  — 2, от 100 до !99  — 3; при средней мощности (от 0,3 до 5 Вт) аналогично три группы в зависимости от напряжения стабилизации с первой цифрой, соответственно, 4, 5, 6; при большой могцности (более 5 Вт] — 7, 8, 9.