Степаненко И. Основы теории транзисторов и транзисторных схем (1977) (1086783), страница 37
Текст из файла (страница 37)
Следовательно, результирующий ток будет протекать в направлении от и-слоя к р-слою. Зтот ток очень быстро возрастает с увеличением обратного напряжения (см. рис. 3-8), поскольку плотность электронов в глубине валентной зоны огромна и малейшее приращение разности «»г — Чг„сопровождается существенным Р и изменением потока электронов из р-слоя в а-слой. Теперь приложим к диоду небольшое прямое напряжение. Знергетическая диаграмма для этого случая показана на рис. 3-9, в. Легко заметить, что поток электронов из р-слоя в а-слой сильно убывает, а обратный поток меняется сравнительно слабо. Следовательно, результирующий ток протекаег в направлении от.
р-слоя к и-слою и прн небольших прялгых напряжениях возрастает с увеличением напряжения (рис. 3-8). Граница этого участка приблизительно соответствует диаграмме на рис. 3-9, в, на которой уровень Чгг совпадаег с потолком валентной зоны р-слоя. » При дальнейшем увеличении прямого напряжения поток электронов из гг-слоя в р-слой убывает (рис.
3-9, г) и соответственно убывает прямой ток. В результате на вольт-амперпой характеристике получается участок с отрицательным сопротивлением (рис. 3-8). Конец этого участка соответствует такому напряжению, при котором потолок валентной зоны в р-слое совпадает с дном зоны проводимости в и-слое.
При еще большем напряжении запрещенная зона делается «сквозной», туннельный эффект исчезает и ток снова увеличивается, но уже за счет обычного механизма — преодоления электронами потенциального барьера (рис. 3-9, д). Таким образом, вольт-амперная характеристика туннельного диода (рис. 3-8) складывается из двух частей: туннельной (левее точки 2) и диффузионной (правее точки 2). Последняя, как.обычно, обусловлена инжекцией и описывается формулой (2-33). Однако цапршкения на диффузионной ветви туннельного диода получаются заметно больше, чем у обычного диода из того же материала. Зто объясняется тем, что равновесная высота потенциального барьера у туннельных диодов больше примерно на 2 (гр„ + гр,ч), где гр„ и гр„— уровни доноров и акцепторов в н е в ы р о ж д е н н о м полупроводнике, отсчитанные соответственно от дна зоны проводимости и потолка валентной зоны.
Следует также отметить, что если бы работа туннельного диода строго соответствовала зонным диаграммам на рис. 3-9, то минимальный ток в точке 2 был бы намного меньше, чем это имеет место в действительности. Происхождение «избыточного» минимального тока приписывают наличию ловушек в запрещенной зоне. Такие ловушки могут обеспечить туннельный эффект даже после образования «сквозной» запрещенной зоны и тем самым затягивают спадающий туннельный участок характеристики [53].
Статические свойства туннельного диода удобно характеризовать координатами экстремальных точек (1 и 2 на рис, 3-8), а также нагряжением в точке 3, соответствугощнм току /г. Рис. 3-10. Эквиьвлентнея схема туннельного диода ив учестке с отрннвтельвын сопротивлением.
донные диаграммы показывают, что пиковое напряжение 1/, лжно находиться в прямой зависимости от глубины залегания уровней Ферми в слоях. Поэтому оно больше у арсенида галлия, у которого уровни примесей расположены дальше от краев запрещенной зоны, чем у германия '. вместе с напряжением У, возрастает пиковый ток 1„так как крутизна восходящего участка туннельной ветви меняется сравнильно мало. Напряжение «провала» 1/» и «диффузионное» напряение Ц возрастают с увеличением концентрации примесей и ширины запрещенной зоны. Поэтому арсенидо-галлиевые диоды характерны большим диапазоном токов и напряжений, чем германиеные.
В зависимости от схемы применения желательное значение пикового тока может быть разным. Что касается мянимального тока /„то он всегда доли ен быть по возможности малым, с тем чтобы отношение 1«/1, было большим и Участок с ко„с „ио,ид„„ отрицательным сопротивлением был ярко па,саметры выражен. Изменения температуры влияют на статическую характеристику и ее параметры сравнительно слабо, так как оба / диод слоя являются вырожденными полупро- ! Г / 1 водниками — полуметаллами. Однако та- ! ! по кое влияние все же имеется, поскольку ! ! положение уровней Ферми зависит от тем- ! до пературного потенциала грг.
Особенно существенна на практике температурная за- ! ! висимость пикового тока 1,. Опыт пока- ! зываст, что эта зависимость может иметь разные знаки при различных концентрациях примесей. Поэтому для ограниченного температурного диапазона можно добиться почти полного постоянства пикового тока. Рабочий диапазон температур, в котором сохраняется отрицательное сопротивление, оказывается весьма широким в связи с использованием вырожденных полупроводников. Зля германии максимальная рабочая температура составляет около +200' С, а для арсенида галлия — около 4000 С Динамические свойства диода ограничены условием сохранения отрицательного сопротивления по от н о шеи и ю к в не шн е й ц е п и.
Рассматривая ту часть эквивалентной схемы диода, котоРаЯ на Рис. 3-10 обведена пУнктиРом (ге — сУммаРное омичесиое сопротивление слоев), преобразуя эту часть схемы к виду /с + х" и =О, ~ г « "у Рк у у 1 Кренвиевые туннельные диоды со сколько-нибудь удовлетворительньв1и ларек»ори«тихини пака получить не удаегсв. и минимальную постоянную времени в виде 1 т = 1, явяс о С 1г/ гСе яяя и' «/гз — ! где г — модуль отрицательного сопротивления; Со — барьерная емкость, определяемая выражением (2-82б). Поскольку р-п переход в туннельном диоде очень узкий (/о = 0,01 —: 0,015 мкм), емкость Со даже при малой площади (!Оа см') значительна.
Если принить типичные значения г, = 1 Ом; г = 10 —: 100 Ом и Со = 10 —: 50 пФ, тот,„„= 0,2 . 1,0 нс; /„, = 20 — 1000 МГц, т. е. время переходных процессов может составлять доли наносекунды, а усиливаемые и генерируемые частоты — сотни и тысячи мегагерц. Следует заметить, что значение г не остается постоянным на отрицательном участке: оно минимально при (/ = 1,8 (/, и увеличиваегся по обе стороны от этой точки. Поэтому частотные свойства диода существенно зависят от режима, Прн работе туннельных диодов в импульсных схемах, в которых токи и напряжения меняются в широких пределах, более удобным показателем быстродействия (длительности фронтов) является, как показано в работе 1541, отношение /„/С,. Чем больше это отношение, тем выше скорость перезаряда емкости и тем меньше длительность фронтов. Для германиевых диодов указанное отношение обычно составляет десятые доли миллиампера на пикофараду; для арсенндо-галлиевых диодов оно примерно на один порядок вьппе (1 мЛ/пФ соответствует скорости изменения напряжения 1 В/нс).
При работе туннельно~о диода существенную роль играют паразитные индуктивности вводов и тем более подводящих проводов (рис. 3-10). Даже весьма малая индуктивность (/ .= 0,01 мкГ) при суммарной емкости схемы 20 пФ соответствует частоте 500 МГц, лежащей в диапазоне рабочих частот диода. Наличие паразитного колебательного контура с отрицательной составляющей сопротивления нередко приводит к самовозбуждению схем па высокой частоте и требует принятия мер по его предотвращению. Поэтому иногда оказывается целесообразной коакснальная конструкция диода, характерная для многих элементов СВЧ. Малая величина отрицательного сопротивления сильно осложняет снятие характеристики квола зкспериментальвьви путем, так как требуется источник напряжения с внутренвим сопротивлением ве более нескольких ом.
В противном случае при измерении будут происходить скачки тока и отрицательный участок останется неисследованным. Не меиынне слоигности при измерении обусловлены паразитными индуктивностями и самовозбуигдонием схемы 1161. Туннельный диод представляет собой универсальный прибор, способный выполнить все функции, свойственные активным элементам электронных схем. Поэтому вопросы применения туннельных диодов составили в свое время отдельную область прикладиол элек- ровики В РезУльтате выЯснилось, по днодные схемы настолько жено отличаются от триодных, что требуют пересмотра многих тривычных методов постРоениЯ н Расчета злектРонных схем 1551.
5 связи с прогрессом транзисторной техники и особенно микровиектроннки такой пересмотр структурных основ электронных лем оказался практически нецелесообразным. Соответственно тун„ельные диоды в настоящее время не являются альтернативой тран- исторов а занимают свое, сравнительно зэков место в области генераторов н уси- ! пителей СВЧ диапазона. ! Интересным вариантом туннельного анода является так называемый обрап(ея- ! тый диод, характеристика которого пока- з' 0 зава на рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
