Петров К.С. Радиоматериалы и радиокомпоненты (2003) (1152094), страница 82
Текст из файла (страница 82)
нкциональная электроника знак, и нижним общим электродом подается управляющее напряжение. Если на сегментах напряжение отсутствует, то кристалл прозрачен, световые лучи внешнего освещения проходят через него, отражаются от общего электрода 5 и выходят обратно. Если на какой-то сегмент подано напряжение, то жидкий кристалл под ним становится непрозрачным, лучи света не проходят через зту часть жидкости, на светлом фоне появляется темный знак. Оптоэлектронные приборы получили широкое распространение в различных областях науки и техники благодаря своим уникальным свойствам. В микроэлектронике используются, как правило, только те функциональные элементы, технология изготовления которых совместима с технологией изготовления интегральных микросхем.
Устройства на основе эффекта Ганна В 1963 году американский ученый Д. Ганн обнаружил, что кристалл арсенида галлия с электронной злектропроводностью под действием сильного электрического поля способен генерировать СВЧ-колебания. Это явление получило название эффекта Ганна, а созданные на его основе приборы — диодов Ганна. Строго говоря, эти приборы не являются диодами, поскольку в них отсутствует выпрямляющий электронно-дырочный переход. В зарубежной литературе чаще используется сокращенное название ТЕЭ (ТгапЫеггес1 Е!есггоп Рейсез). Приборы на основе эффекта Ганна правильнее отнести к приборам функциональной электроники, так как в них преобразование энергии постоянного тока в энергию СВЧ-колебаний происходит за счет сложных физических процессов в кристалле арсенида галлия.
Чтобы понять зти процессы, необходимо внести некоторые уточнения в зонную модель полупроводника, которой мы до сих пор пользовались для объяснения процессов в полупроводниковых диодах и транзисторах. Известно, что энергия свободного электрона равна т,о' (т,о) Р' Е= — = 2 2гл, 2гл, ' где Р = топ — импульс электрона Согласно формуле Луи де Бройля, л и Р= — = — =ля, Л Л/2п где Л вЂ” длина электронной волны; Й = 2п/Л вЂ” волновой вектор электрона, по направлению совпадающий с направлением распространения электронной волны. Следовательно, энергию свободного электрона можно выразить через волновой вектор Й я2 Е = — к'. 2щ, Глава 9.
Основы функциональной злект ики Отсюда следует, что зависимость анергии свободного электрона от его волнового вектора имеет квадратичный характер. В твердом теле на электрон действует периодическое потенциальное поле кристаллической решетки. Чтобы описать сложные законы движения электрона в кристалле с помощью соотношений классической механики, влияние внутренних сил на электрон учитывают, заменив массу свободного электрона т, эффективной массой е'. Импульс Р = тЪ называется квазиинлульсон электрона. Тогда диаграмму энергетических зон полупроводника в Й-пространстве можно представить так, как это показано на рис. 9,11, а.
,36 эВ ,4 эВ АЕа-1 К Ось 100 б Вио. 0.11 к Ось 100 — в Ось 100 При упрощенном рассмотрении энергетической диаграммы вместо истинных кривых, ограничиваюших валентную зону и зону проводимости, проводят две параллельные прямые: одну — касательную к дну зоны проводимости, вторую— касательную к вершине валентной зоны. Первую прямую принимают за нижнюю границу зоны проводимости Е„вторую — за верхнюю границу валентной зоны Е,. Расстояние между ними равно ширине запрещенной зоны ЛЕ,.
Зона проводимости полупроводника может быть образована из нескольких перекрывающихся между собой разрешенных анергетических зон. В этом случае энергетическая диаграмма зоны проводимости в Й-пространстве может иметь минимум, смещенный относительно точки я = О (рис. 9.11, б), что имеет место в кремнии. В кристалле арсенида галлия имеются два минимума (рис, 9.11, в) в кристаллографическом направлении (100), которые называются энергетическими долинами. Полупроводник в этом случае называется двухдалннным. Минимальная энергия электронов, имеющая место при к = О, соответствует нижней границе зоны проводимости.
Верхняя долина отделена от нижней долины энергетическим зазором оЕ = 0,36 зВ. Эффективные массы электронов, находяшихся в нижней и верхней долинах, различаются по значению. В нижней долине а,' = О, 072л1„в верхней — т, = 1,2е,. Подвижность электронов равна 9.2. Функциональная электроника где т, — среднее время между столкновениями с решеткой. Подвижность электронов различна для нижней и верхней долин: р«8 10» см/В с, ц, = 10' см/В с. Следовательно, скорость дрейфа «легких» электронов нижней долины, пропорциональная напряженности внешнего поля е, почти на два порядка больше скорости дрейфа «тяжелых» электронов верхней долины, При комнатной температуре практически все электроны проводимости находятся в нижней долине. При увеличении температуры все большее число электронов приобретает энергию, достаточную для перехода в верхнюю долину.
В результате нижняя долина опустошается, а верхняя — заполняется. Этот процесс называется мвждалияным нврвходом. Увеличение энергии электронов можно осуществить не только повышением температуры кристалла, но и с помощью внешнего электрического поля, изменяя напряженность которого, можно управлять междолинным переходом электронов. Величина напряженности поля, при которой начинается интенсивный междолинный переход, называется пороговой и обозначается Ж„. Для арсенида галлия она равна примерно 3,2 кВ/см.
Найдем плотность дрейфового тока, протекающего через идеальный кристалл н-типа, в котором обеспечена абсолютная однородность электрического поля, создаваемого в нем приложенным к контактам внешним напряжением. Учтем, что ток создается как «легкими», так и «тяжелыми» электронами, суммарная концентрация которых, равная н, = и, + пэ не зависит от напряженности поля, так как определяется только концентрацией доноров. Следовательно, плотность тока равна .1=9(н,н, + н«Р,Ф Умножив и разделив правую часть на н„получим ~' = вн«ц„й тЧА! + 02Р2 Здесь ц = ' ' — усредненная по двум долинам подвижность.
И« Учитывая, что дрейфовая скорость электронов равна э„= р Ж, получим 1 = 'Р«о«». То есть плотность дрейфового тока пропорциональна скорости дрейфа о,„. В слабых поляхп, жн«,н,=О,р„=ць1=дв,ц,Ж Померероста Ж начинаяснекоторой величины Жл электроны переходят из нижней долины в верхнюю, поэтому и, уменьшаетсл, н, увеличивается (рис. 9.12, а), р„уменьшается (рис, 9.12, 6), а рост э„„замедляется (рис.
9.12, в). Начиная с величины е„, интенсивность междолинных переходов возрастает настолько, что ц„резко уменьшается, вследствие чего уменьшается о . При Ж = Ж, междолинные переходы завершаются, нижняя долина оказывается почти полностью опустошенной (и, = О), а верхняя — заполненной (н, = н,). При этих условиях /=~ ~цМ Глава 9. Основы ф нкциональной элект еники Если Ж, = 8 кВ/см, то наступает насыщение дрейфовой скорости, поэтому при Ж > Ж, скорость остается постоянной. а л б иср ги б Ф б1 8п б2 б Рис. ам 2 Принимая во внимание, что плотность тока пропорциональна ои, величина тока связана с плотностью тока соотношением 1 =/5, где 5 — площадь поперечного сечения кристалла, а напряженность поля е = и/А, где и — напряжение, приложенное к кристаллу, А — длина кристалла, можно записать уравнение вольт-амперной характеристики кристалла: Из этого уравнения следует, что зависимость тока от напряжения аналогична зависимости дрейфовой скорости от напряженности поля, то есть она содержит участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением (рис.
9.13). Существование отрицательного дифференциального сопротивления обусловлено уменьшением дрейфовой скорости при увеличении напряженности поля. При напряжении и, соответствующем критической напряженности поля, равной примерно 8 кВ/см, дрейфовая скорость становится постоянной и рост тока прекращается. Наличие отрицательного дифференциального сопротивления может компенсировать потери в присоединенной к кристаллу пассивной цепи, что позволяет использовать его для генерации и усиления электрических колебаний.
Это обстоятельство нашло применение в СВЧ-устройствах, работающих на частотах, измеряемых единицами и десятками гигагерц. Рассмотрим принцип генерирования СВЧ-колебаний, основанный на использовании эффекта Ганна, 447 9.2.Функциональная элект оника Рис. 9.13 В кристалле арсеннда галлия имеются неоднородности, обусловленные неравномерностью распределения легирующей примеси и дефектами кристаллической структуры, в результате чего в нем возникают локальные напряженности поля, превышающие среднюю напряженность.
Как правило, зти неоднородности существуют вблизи торцов кристалла, на которые напылены внешние металлические электроды катода и анода (рис. 9.14, а). Основную роль играют неоднородности у катодного вывода. Пусть в момент включения внешнего напряжения в кристалле возникает электрическое поле со средней напряженностью поля ее которая несколько меньше пороговой напряженности е«.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
