С.П. Вятчанин - Конспект лекций по Радиофизике 2005 (1119806), страница 11
Текст из файла (страница 11)
52a, внизу). Говорят,что возникает контактная разность потенциалов.Теперь рассмотрим, что будет, если к p полупроводнику приложить положительное напряжение, а к nполупроводнику — отрицательное, как показано на рис. 52б, вверху. В этом случае возникает ток, причемположительные дырки движутся слева направо, а отрицательные электроны справа налево. В областиконтакта эти потоки встречаются и рекомбинируют. За счет этого притока темп рекомбинации в областиконтакта становится больше, чем в случае отсутствия тока через контакт. Увеличение рекомбинациив контакте приводит к тому, что объемные заряды в области контакта уменьшаются, следовательно,уменьшается и контактная разность потенциалов.
Это в свою очередь уменьшает сопротивление контакта.Таким образом при такой полярности напряжения ток нелинейно возрастает при увеличении напряжения.Такой режим диода называют работой в прямом направлении. В прямом направлении сопротивлениедиода нелинейно уменьшается с увеличением напряжения.Рассмотрим, что будет, если приложить напряжение обратной полярности, как показано на рис. 52в.В этом случае возникает ток так, что положительные дырки двигаются справа налево , а отрицательныеэлектроны — слева направо. При этом и электроны и дырки движутся прочь от области контакта. Врезультате процесссы рекомбинации в области контакта замедляются.
Это приводит к увеличению объемных зарядов вблизи контакта, а следовательно, и к увеличению контактной разности потенциалов. Всвою очередь это значительно увеличивает сопротивление контакта. Такой режим диода называют работой в обратном направлении. В обратном направлении сопротивление диода велико и ток практическиотсутствует.Таким образом, p − n переход хорошо проводит ток в прямом направлении и практически не проводитток в обратном направлении. Такие полупроводниковые диоды широко применяются в электронике. Нарис. 53 слева изображена типичная вольтамперная характеристика (ВАХ) диода. Типичные величиныпрямого напряжения и тока порядка Uпрям ' 0.5 В, Iпрям ' 0.3 А.Из сказанного выше ясно также, что диод обладает нелинейной емкостью.
Характерная зависимостьемкости от напряжения на диоде приведена на рис. 53 справа. Емкость C перехода зависит от плошадиS контакта, типичная величина — C/S ' 103 пкФ/см2 . Комбинация сопротивления контакта и емкостиопределяет его быстродействие в радиофизических устройствах, которое обычно измеряют в величинепредельной частоты, вплоть до которой используется данный диод. Типичная частота для точечногоp-n-перехода f = (RC)−1 ' 1012 Гц, f = (RC)−1 ' 109 Гц — плоскостный p-n-переход.7.2Энергетическая схема p-n контактаРассмотрим энергетическую схему контакта, приведенную на рис.
54. В р-полупроводнике межу дномвалентной зоны (Wv ) и вершины зоны проводимости (Wc ) и вблизи от (Wc ) находится акцепторныйуровень, который совпадает с уровнем Ферми (Wf ). Поскольку уровень Ферми во всем полупроводнике7 ДИОД56C/SI мАreplacements Смена масштаба100RдиффUВUВ−100, 5−50, 2ПробойРис.
53: Вольтамперная характеристика (ВАХ) диода (слева) и зависимость емкости диода от напряжения(cправа)должен быть единым, то этот уровень совпадает с донорным уровнем в n-полупроводнике. Поэтому зоныполупроводников n- и p-типа изгибаются, как и показано на рис. 54 и образуется потенциальный барьерφ0 .Wcpφ0∆WfvEWcWfWfreplacements Wv∆Wfcnφ0WvРис. 54: Энергетическая схема p-n переходаВнешнее напряжение U, приложенное к переходу в зависимости от знака либо уменьшает величинупотенциального барьра (прямое напряжение — рис.
55, слева), либо увеличивает ее (обратное напряжение — рис. 55, справа). При прямом напряжении напряженность электрического поля в области контактауменьшается, при обратном — увеличивается.При приложении напряжения к переходу напряжения через переход начинает идти ток, который вдали от перехода обеспечивается дырками в р-полупроводнике и электронами в n-полупроводнике.
Приприложении прямого напряжения потоки дырок и электронов направлены к переходу увеличивая рекомбинацию зарядов в граничном слое и (еще и таким образом) уменьшашая величину разности потенциаловна переходе.7 ДИОД57PSfrag replacementsWcWvWfφ0 − qUqUcφW0 − qU∆Wfv∆WfcWcpEreplacementsWfWcpφ0 + qUWcWvqUqUnWvφ0 − qU∆Wfv∆WfcnEWfWvφ0 + qUWv∆Wfv∆WfcРис. 55: Энергетическая схема p-n перехода.
Слева — к переходу приложено прямое напряжение, справа— обратное напряжение.7.3Эквивалентная схема диодаРассмотрим эквивалентную схему диода (рис. 56): кроме нелинейного сопротивления контакта R нелин, мыдолжны учесть емкость C контакта и линейное сопротивление Rs частей полупроводников вне контакта.replacementsIRнелинIнелинRsU = φ 0 + Rs Iφ0CVРис. 56: Эквивалентная схема диода: Rнелин — нелинейное сопротивление p-n перехода, C — ескость перехода, Rs — линейное сопротивление толщей p- и n- полупроводников.Вольт-амперная характеристика контакта (не всего диода) описывается формулами (мы их принимаем без доказательства):eφ0Iнелин = I0 exp−1 ,kB TkB TIφ0 =ln+1eI0где φ0 — падение напряжения на контакте, а I0 — константа, зависящая от геометрии и материаловдиода.
Будем рассматривать низкие частоты, когда влиянием емкости C можно пренебречь. Тогда полноепадение напряжение на диоде складывается из суммы U = φ0 + IRs . Чтобы понять качественно ходвольт-амперной характеристики диода рассмотрим предельные случаи больших и малых токов:kB TekB TdU= Rнелин + Rs =+ RsdIe(I + I0 )Большие токи: U ' φ0 + Rs I,Малые токи:φ0 '(92)(93)Можно ввести характеное сопротивление контактаRнелин '25kB T'Ом .eI0I0 /1мА(94)7 ДИОД7.458Туннельный диодDm, vreplacementsm, vHРис. 57: Квантовый туннельный эффектВ классике частица может преодолеть потенциальный барьер mgH, только если ее кинетическая энергия mv2 /2 достаточно велика (см.
рис 57 слева). Если же выполняется обратное равенство mgH > mv 2 /2,то по законам классической физики частица не сможет “перевалить” через барьер. Однако в квантовойтеории есть вероятность подбарьерного прохождения, например электрона (см. рис 57 справа), даже прималой кинетической энергии, т.е. при eU > mv2 /2. Эта вероятность тем больше, чем меньше энергии недостает частице до энергии барьера (чем меньше разность eU − mv2 /2) и чем у́же потенциальный барьерh̄(толщина барьера D должна быть сравнима с де-бройлевской длиной волны λ = 2πmv ).В туннельном диоде используется контакт сильнолегированных полупроводников p и n типа и возникающий ток в большой степени связан с туннельным эффектом. Из-за сильного легирования уровень Фермив полупроводнике р-типа попадает валентную зону, а в полупроводнике n-типа — в акцепторную.
В такомпереходе запорный слой становится настолько тонким, что его собственное электрическое поле переходаоказывается достаточным для туннельного эффекта. Это приводит к тому, что даже при обратной разности потенциалов на контакте через диод идет значительный ток. При увеличении обратного напряженияпотенциалов (− на полупроводнике p-типа и + на полупрводнике n-типа) ток через диод резко возрастаетза счет тунельнного тока. Это происходит в основном из-за уменьшения толщины контактного слоя. Придальнейшем увеличеии обратного напряжения туннельный ток ослабевает и затем исчезает.
Однако вдиоде возможен еще и инжекционный ток через переход, который мал, когда присутствует туннельныйток, но становится заметным, когда туннельный ток исчез. В результате ВАХ туннельного диода имеетвид, показанный на рис. 58. Такую ВАХ называют N-типа (похожа на букву N).Наличие падающего участка на ВАХ туннельного диода позволяет использовать его во многих устройствах для генерации колебаний. Кроме того, он обладает малой инерционностью (т.е.
имеет высокую гра−111replacementsничную частоту fгр ' (RC) ' 10 Гц), что позволяет использовать туннельный диод в очень широкомдиапазоне частот.I mAWc∆Wfv10∆Wfcpφ0WvWfWfUB0, 20, 1n Wcφ00.3WvРис. 58: ВАХ туннельного диода8 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНЫХ СВОЙСТВ ДИОДОВ859Использование нелинейных свойств диодовРассмотрим несколько примеров использования нелинейных свойств диодов для модуляции и детектирования.8.1МодуляцияМодуляцией называют медленное, по сравнению с периодом несущей, изменение амплитуды (АМ), частоты (ЧМ) или фазы (ФМ).
Математическое описание этих трех видов модуляции сигналов было дано вразделах 5.5, 5.6. Теперь рассмотрим способы получения модулированного сигнала.replacementsILRC(t)ω0tU(t)tРис. 59: Два примера получения импульсной модуляции амплитуды (слева) и частоты (справа)Два простейших примера импульсной модуляции амплитуды и частоты приведены на рис.
59. Замыкание и размыкание ключа приводит к глубокой амплитудной модуляции (слева). На этом способе модуляции основана передача сообщенией с помощью азбуки Морзе. Справа модуляция емкости выходногоконтура генератора (сам генератор не показан) приводит к частотной модуляции. Из этих примеров ясно,что для получения модулированного сигнала надо управлять параметрами цепи, что возможно только сиспользованием нелинейных элементов (в нашем случае диодов).8.2Простейшая схема для получения амплитудной модуляцииRнелинU0 (t)replacementsRнагрUΩ (t)Рис. 60: Использование нелинейного сопротивления для получения амплитудно- модулированного сигналаДля модуляции иногда достаточно использования нелинейного сопротивления R, емкости C или индуктивности L.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
