Шишкин Г.Г., Шишкин А.Г. - Электроника (1006496), страница 20

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 20)

Тог­да распределениепотенциалапо длине кристалла линейно(прямая1на рис.пряженность3.19, б}, а на­пол.я: 6'1 = дИ/дlх+рРис.3.19108Разделнеизменна (прямая1.1ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫна рис.3.19,в). Если величина напряже­ния И такова, что напряженность поля в кристалле{5 <Sкр' топлотность тока, текущего в полупроводнике, обусловлена дрей­фом электронов с подвижностьюем(3.10).µ 1 и определяется соотношени­Предположим далее, что в кристалле имеется неоднородностьв виде области Лl= dс пониженной концентрацией свободныхэлектронов и, следовательно, с более высоким удельным сопро­тивлением.

Падение потенциала в этой области должно возрасти,и распределение потенциала вдоль кристалла. в этом случае будетхарактеризоваться ломаной линией (линияучастке Лl =d2на рис.напр~женность поля увеличится ДОпределами уменьшится до значенияЕсли напряженность поля{52 (см.рис.3.19, б).s2',Наа за его3.19, в).S2 в области Лl превысит величинуРкр' то в этой области начнется переход электронов из нижней до­лины в верхнюю. Увеличение числа электронов с меньшей подвижностью(µ 1 > µ 2)приводит к увеличению электрического со­противления этого участка, а значит, к дальнейшему изменениюраспределения потенциала, возрастанию напряженности поля дозначения S~ на участке Лl (ломаная линия3на рис.3.19, б).Ина­че говоря, на участке Лl будет формироваться область с более вы­сокой напряженностью поля или, как говорят, домен сильного по­ля.

С возникновением домена высокого поля напряженность поляза его пределами должна снизиться до значения63 , так как с появ­лением участка с более высоким сопротивлением возрастет общеесопротивление кристалла и уменьшится плотность тока. Следова­тельно, в области, где возникает домен, электроны находятся пре­имущественно в верхней долине и обладают низкой подвижно­стьюµ2 ,а в остальном объеме кристалла электроны находятся внижней долине и характеризуются более высокой подвижностьюµ1 > µ 2 •И в той, и в другой области под влиянием приложеннойразности потенциалов возникает дрейфовое движение электро­нов. Электроны прикатодной области, приближаясь к домену,уменьшают скорость дрейфа и образуют в части домена, обращен­ной к катоду, более плотный отрицательный объемный заряд.В то же время электроны между доменом и анодом характеризу­ются более высокой дрейфовой скоростью.

Поэтому в части доме­на, обращенной к аноду, образуется область, обедненная электро­нами. Таким образом, с развитием домена высокого поля в этойобласти формируется двойной электрический слой (рис.3.19, г).,109Глава З. Полупроводниковые диодыПроцесс формирования до­jNмена будет развиваться до техпор,пока не. установитсяне­которое динамическое равно­весие,определяемоесохранениязаряда,закономсогласнокоторому плотность тока в не­разветвленнойэлектрическойцепи должна бытьодинако­вой в любом сечении.

УсловиеРис.постоянства плотности тока мо­жетвыполняться3.20при различ-ных значениях напряженности поля в домене Sдомтях кристалла вне домена\3Sкр и в облас­>3.19, в) и оп­ределяется так называемым правилом равных площадей 8 1 = 8 2(рис. 3.20).

Положение прямой j = const на характеристике j = f(S)3(см. обозначения на рис.определяется величиной приложенного напряжения И, подклю­ченного к кристаллу. Штриховая кривая на рис.ся в точке максимумаприS=Sм. Эта крива.я3.20 начинает­N зависимости j = f(S) и заканчиваетсяN М ограничивает область значений j и S,где выполняется правило равных площадей.Таким образом, в условиях динамического равновесия за­канчивается формирование домена высокого поля; плотностьтока в кристалле неизменна(j = const)и дрейфовая скоростьvдр. дом электронов в области домена и за его пределами vдр. 1 рав­ны друг другу:vдр. дом= vдр. 1 •Итак, условиевсем значениямj = constвыполняется, когда усредненная поS дрейфовая скорость электроновв домене рав­на дрейфовой скорости вне домена и, следовательно, существу­ют условия формирования домена.

Домен высокого поля со ско­ростьюv др. домперемещается по направлению к аноду. На анодеобласть повышенной плотности объемного заряда расформиро­вывается и домен высокого поля исчезает. По мере исчезнове­ния домена электрическое сопротивление кристалла уменьша­ется, плотность тока возрастает и на неоднородности Лl= dвновь начинается процесс формирования домена.В рассматриваемом случае новый домен может возникнутьлишь после расформирования существовавшего домена, так как.до этого момента напряженность поля\33вне домена ниже пер-Раздел1101.ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫвоначальной величины(S3 <нияS1 и тем более ниже критического значе­Ркр>· Иначе говоря, в кристалле может возникнуть исуществовать лишь единственный домен.

Новый домен зарож­дается лишь по прошествии некоторого интервала времениtnp'необходимого для перемещения предыдущего домена от местаего формирования до анода:(3.20)где11расстояние от места возникновения домена до анода-(см. рис.3.19,а).Следовательно, домены высокого поля возникают и исчезают вкристалле периодически с интервалом времени tпр и, что особенноважно, также периодически и с тем же интервалом tпр изменяется плотность тока, текущего.

через+а)~i GaAsб) в111кристалл.формаНатока,рис.3.21,текущеготалл, а на рис.3.21,епоказаначерезб, в, г, д-крис­эпю-ры распределения поля в кристалле в1Ркрразличныемоментыченные на рис.времени,3.21, еотме­соответствую­щими буквами.хв) еЕсли в цепь диодов включить ко­лебательный контур, настроенный начастоту(3.21)хто такое устройство может служить ге­нератором незатухающих колебаний."Условия формирования домена вы­сокого поля в кристалле не ограничи-хваются наличием ВАХ с областью от­рицательного дифференциального со­противления. Важную роль играют идругие факторы: геометрические разхмеры кристалла, концентрация носи­телей заряда ц др.Для стабильности периодическогопроцесса зарождения домена высоко­го поля в определенной области крис­талла необходимо обеспечить одноРис.3.21родность кристалла полупроводника111Глава З.

Полупроводниковые диодыво всем объеме, за исключением единственной, локальной об~ласти неоднородности. В качестве такой неоднородности могутслужить различные дефекты кристаллической структуры,втом числе и незначительное отклонение концентрации примесив области неоднородности. Экспериментальные исследованияпоказывают, что в арсениде галлия домен должен стабильно за­рождаться на неоднородности, образованной изменением кон­центрации примесей в0,01 %на участке длиной около1 мкм.Обычно такого рода неоднородность образуется в прикатоднойобласти кристалла при его изготовлении.Условие существования одной неоднородности удается вы­полнить лишь для небольших кристаллов(l.;;;; 0,1мм).

В болеедлинных кристаллах образуете.я несколько неоднородностей,на которых домены зарождаются случайным образом. Колеба­ние тока в таком кристалле носит не периодический, а случай­ный характер. С другой стороны, технологические трудностиl <ограничивают возможности создания кристаллов длиной< 1 мкм.В арсениде галлия при температурености пол.я~107 см/с.300 Ки напряжен­{5 ~ 10 кВ/см дрейфовая скорость домена vдр. дом ~Полагаяl~lpна основании(3.21) легко оценить воз­можные частотные пределы использования диодов Ганна какактивных элементов в генераторах незатухающих колебаний.При l 1 ~~0,1100 ГГц.мм частота fн ~1 ГГц,а при l 1 ~1 мкмчастотаf8~Важную роль в формировании домена играет концент­рация п свободных носителей заряда, которая определяет скоростьпроцесса накопления зарядов Q.в области высокого пол.я.

Этотпроцесс протекает во времениQ(t)где'tP -tпо экспоненциальному закону= Q(O) ехр (t/'tp),(3.22)максвелловское врем.я релаксации-определяете.я со­отношением(3.23)Здесь µер выражениемсредняя подвижность электронов, определяема.я(3.13);€ -диэлектрическая проницаемость крис­таллической решетки полупроводника; € 0 -диэлектрическаяпостоянна.я. Чтобы процесс формирования домена завершилсяпо крайней мере за время прохождения домена по кристаллу(tпр =l 1 /vдp.

дом), показатель степени в экспоненте в формулеРаздел112(3.22) долженния дляt =1.ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫбыть больше единицы. С учетом(3.23)и выраже­tпр это условие запишется в виде(3.24)илиnl 1 > ЕЕоVдр. дом/(еµср).(3.25)Для арсенида галлия получаемЕЕ 0 vдр.дом/(еµср)"" 10 12 см-2.(3.26)Таким образом, условие окончательного формирования до­мена в арсениде галлия можно записать в виде(3,27)Отсюда, в частности, следует, что при уменьшениикак видно из формулы(3.21),11' 'I'.е.,при использовании диода Ганна наболее высоких частотах следует применять материалы с боль­шей концентрацией примесей.Если условие(3.26) не выполняется,то в кристалле не возни­кает домена вы.сокого поля, так как на неоднородности форми­руется не диполь-совокупность областей с повышенной кон­центрацией зарядов противоположных знаков (см.

Характеристики

Список файлов книги