Арипов Х.К., Кузьмина Г.Н. и др. Микроволновые полупроводниковые приборы - файл mikrovolno_poluprovod_pribori.doc

Арипов Х.К., Кузьмина Г.Н. и др. Микроволновые полупроводниковые приборы
скачать (483.7 kb.)
Доступные файлы (1):
mikrovolno_poluprovod_pribori.doc1409kb.29.05.2003 11:50скачать

mikrovolno_poluprovod_pribori.doc

1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12

ЛЕКЦИЯ № 5


ТуннельныЙ диод


  1. Концептуальная диаграмма.

  2. Процессы, происходящие в полупроводнике в случае туннельного эффекта.

  3. Вольт-амперная характеристика туннельного диода.

  4. Параметры, применение.

  5. Контрольные вопросы.


5.1. Концептуальная диаграмма




5.2. Процессы, происходящие в полупроводнике в случае туннельного эффекта
Туннельный диод относится к группе полупроводни­ковых приборов, вольт-амперные характеристики которых имеют участок, соответствующий отрицательному дифференциальному со­противлению прибора. Туннельный диод применяется как много­функциональный прибор (усиление, генерация, переключение и др.) для работы преимущественно в области СВЧ. Он может работать и на более низких частотах, однако его эффективность в этом слу­чае значительно ниже, чем, например, транзистора.

Туннельный диод создается на основе вырожденного полупро­водника. При этом высокая доза примеси в высоко­легированном полупроводниковом материале вызывает смещение уровня Ферми настолько, что он располагается у электронного полупроводника в зоне проводимости, а у дырочного — в валентной зоне (рис. 5.2, а). Таким образом, при изготовлении туннельного диода как в p-область, так и в n-об­ласть вводят легирующие примеси в очень большой концентрации (примерно 10191020 см-3, что на 2—3 порядка выше, чем в обыч­ных диодах). Вследствие этого ширина перехода весьма мала — порядка 0,01мкм. Внутри перехода возникает электрическое поле напряженностью Е=105106 В/см.

В основе работы туннельного диода лежит туннельный эффект, сущность которого заключается в том, что электрон, обладающий энергией, меньшей, чем высота потенциального барьера, может про­никнуть с некоторой вероятностью сквозь этот тонкий потенциаль­ный барьер. Электрон как бы пользуется своеобразным туннелем, чтобы пройти сквозь барьер, не поднимаясь над его уровнем. Этот процесс происходит очень быстро (со скоростью света).

При образовании p-n-перехода происходит смещение энергети­ческих зон полупроводников с различным типом проводимости в такой мере, что уровень Ферми для них становится прямой гори­зонтальной линией. При этом в случае вырожденных полупроводников нижняя граница зоны проводимости n-области становится ниже верхней границы валентной зоны р-области. Для простоты рассуждений будем считать, что все разрешенные уровни, расположенные ниже уровня Ферми, заняты, а располо­женные выше него — свободны.

В очень узких p-n-переходах возникают условия для относи­тельно свободного туннельного прохождения электронов через потенциальный барьер. Однако для этого необходимо, чтобы напротив занятого электроном уровня по одну сторону барьера имелся свободный уровень за барьером.
5.3. Вольт-амперная характеристика туннельного диода
На рис. 5.1 а приведена вольт-амперная характеристика тун­нельного диода. Особенность этой характеристики заключается в следующем. В области обратных напряжений обратный ток растет очень быстро с повышением напряжения, т. е. туннельный диод обладает весьма малым обратным дифференциальным сопротивле­нием. В области прямых напряжений с увеличением напряжения прямой ток сначала растет до пикового значения I1 при напряжении U1 в несколько десятков милливольт, а затем начинает умень­шаться (участок АВ, в пределах которого туннельный диод обла­дает отрицательной проводимостью G (рис.5.1 б). Ток спадает до минимального значения I2 при напряжении U2 порядка нескольких сотен миливольт, в дальнейшем прямой ток вновь начинает уве­личиваться с ростом напряжения.

Заштрихованная область вольт-амперной характеристики (рис.5.1 а) со­ответствует так называемому избыточному току туннельного диода. На этом участке ток туннельного диода определяется суммой двух токов: прямым туннельным током и током диффузии. Однако многочисленные экс­периментальные исследования показали, что ток I2 реального туннельного диода существенно больше тока I2 идеализированного туннельного диода. Разность этих токов называют избыточным током. Установлено, что он в основном зависит от концентрации технологически неконтролируемых при­месей и степени легирования исходного материала, но окончательно природа избыточного тока неясна.

Дифференциальная проводимость G при из­менении смещения от 0 до U3 дважды (в точках, соответствующих напряжениям U1 и U2) обращается в нуль, т. е. туннельный диод способен дваж­ды разорвать внешнюю электрическую цепь, превращаясь из пас­сивного элемента в активный и наоборот. Это обстоятельство при­вело к широкому применению туннельных диодов в импульсной технике.

Ток, протекающий через туннельный диод, содержит пять со­ставляющих:

— туннельный ток , обусловленный туннельным переходом электронов из валентной зоны p-области в зону проводимости n-об­ласти;

— туннельный ток , обусловленный туннельным переходом электронов из зоны проводимости n-области в валентную зону р-области;

— дрейфовый ток неосновных носителей обеих областей через р-п переход Iдр;

— диффузионный ток основных носителей обеих областей через р-n переход Iдиф;

— так называемый избыточный ток, который можно рассмат­ривать как частный случай тока — туннельного перехода но­сителей с использованием разрешенных (примесных или дислока­ционных) уровней в запрещенной зоне.

Таким образом, результирующий ток через переход

(5.1)

а)



б)



в)



Рис. 5.1. Характеристики туннель­ного диода:

а), в) вольт-амперные;

б) зависи­мость проводимости диода от на­пряжения
Подчеркнем различие между туннельными токами сквозь барь­ер и дрейфовым и диффузионным токами через барьер; в первом случае электроны переходят из валентной зоны одной области в зону проводимости другой области или в обратном направлении; во втором случае электроны (или дырки) переходят из зоны про­водимости (валентной) одной области в ту же самую зону другой области. На рис. 5.1 в вольт-амперная характеристика туннельного диода представлена как зависимость суммы токов Inр, Ipn и обычного диодного (диффузионного и дрейфового) тока от приложенно­го напряжения.

Теперь рассмотрим более подробно вольт-амперную характеристику туннельного дио­да по выделенным на ней отдельным точкам (а, б, в, г, д, е, ж, рис. 5.2):

а) при нулевом смещении электронам проводимости n-области противостоят валентные электроны р-области (рис. 5.2, а). Если все указанные уровни заполнены, то туннельные переходы невоз­можны. В действительности при комнатной температуре некоторая часть этих уровней освобождается за счет электронов, перебро­шенных на уровни, расположенные выше уровня Ферми. Поэтому существует определенная вероятность, что валентный электрон р-области, не меняя своей энергии, совершит туннельный переход и займет соответствующий уровень в зоне проводимости n-области. Существует точно такая же вероятность туннельного перехода электрона проводимости n-области в валентную зону p-области. Так как эти вероятности одинаковы, то встречные потоки электро­нов, совершающих туннельные переходы, взаимно компенсируются и суммарный туннельный ток оказывается равным нулю (IТ=0, рис. 5.2, а). При дальнейших рассуждениях эти составляющие учитываться не будут;


Рис. 5.2. Энергетические диаграммы туннельного диода при различных на­пряжениях смещения и его вольт-амперная характеристика
б) если к p-n-переходу приложить небольшое прямое напря­жение, то энергетические уровни р-области понизятся относитель­но энергетических уровней n-области (рис. 5.2, б). В этом случае уровни некоторых электронов проводимости n-области располо­жатся против свободных уровней, находящихся в валентной зоне р-области, что создает благоприятные условия для их туннельного перехода. Поэтому в р-n-переходе появится туннельный ток, вели­чина которого будет зависеть от смещения энергетических зон, т. е. от приложенного прямого смещения (туннельный ток протекает от р-области к n-области в направлении, противоположном дви­жению электронов);

в) при увеличении прямого смещения туннельный ток будет увеличиваться до тех пор, пока не произойдет совмещение уровня Ферми n-области с верхним уровнем валентной зоны р-области. В этом случае туннельный ток достигает максимума, так как про­тив уровней электронов проводимости n-области располагаются все свободные уровни валентной зоны р-области, превышающие уровень Ферми (рис. 5.2, в);

г) при дальнейшем увеличении прямого смещения некоторые уровни электронов проводимости n-области располагаются против запрещенной зоны р-области и туннельный ток уменьшается (рис. 5.2, г). В результате на вольт-амперной характеристике получается участок с отрицательным сопротивлением;

д) при некотором значении прямого напряжения зона проводи­мости n-области и валентная зона р-области начинают расходиться и туннельный ток прекращается (рис.5.2,д,е);

е) при прямом напряжении в р-n-переходе наряду с туннель­ным током появляется диффузионный ток, как у обычного диода (на вольт-амперной характеристике он показан штриховой ли­нией). При расхождении зоны проводимости n-области с валентной зоной р-области (начиная с точки д) существует только диффузи­онный ток и туннельный диод при таком условии подобен обыч­ному диоду, включенному в прямом направлении (рис.5.2, д, е);

ж) при обратном смещении р-n-перехода туннельного диода валентная зона р-области перекрывается с разрешенными и неза­полненными уровнями зоны проводимости n-области. При этом возникают условия для относительно свободного туннельного про­хождения валентных электронов р-области в зону проводимости n-области. В результате этого появляется значительный туннель­ный ток обратного направления, величина которого очень сильно зависит от смещения зон, т. е. от величины обратного напряжения (рис. 5.2, ж).

На рис. 5.3 приве­дены для сравнения вольт-амперные характеристики туннельных диодов из различных полупроводниковых материалов. Из рисунка видно, что диоды из арсенида галлия облада­ют наибольшим отношением I1/I2и напряжением переключения ?Un .



Рис. 5.3. Вольт-амперные харак­теристики германиевых и арсенидгаллиевых туннельных диодов
5.4. Параметры, применение
Из вышесказанного следует, что туннельный диод не имеет запираю­щего направления. Рабочим участком вольт-амперной характери­стики туннельного диода является участок в—д (рис.5.2), на котором он обладает отрицательным динамическим (дифферен­циальным) сопротивлением:

Ri=dU/dI < 0 (5.2)

Минимальное абсолютное значение этого сопротивления явля­ется одним из основных параметров туннельного диода. Для раз­личных типов диода оно имеет значение от единиц до десятков Ом.

Другими основными параметрами туннельных диодов являются (рис. 5.1 а):



Рис. 5.4. Экви­валентная схе­ма туннельного диода

На рис. 5.4 приведена эквивалентная схема туннельного диода по переменному току. Она состоит из барьерной емкости p-n-перехода Сб; динамического (отрицательного) сопротивления Ri - величины обратной крутизне ВАХ; сопротивления кристалла полу-проводника, контактов и подводя­щих проводов rs; индуктивности выводов диода L-полной последовательности индуктивности диода при заданных условиях и емкости корпуса Скор. Емкость между выводами диода :

С=Сбкор (5.3)

Основным преимуществом туннельных диодов является сохра­нение ими отрицательного сопротивления вплоть до сотен гигагерц. Дело в том, что туннельный ток не связан с медленными процес­сами диффузии или дрейфа носителей, а распространяется как обычный ток в проводнике со скоростью света.

Емкость перехода при толщине последнего порядка 10-2 мкм составляет С=0,10,5пФ. Так как от величины емкости зависят частотные свойства туннельного диода, ее стремятся сделать мини­мальной. Индуктивность L (порядка 10-10Гн) яв­ляется паразитным параметром, так как ограничивает собственную резонансную частоту ?о. Для уменьшения L контакты осуществляют мембраной, прижимом массивного электрода и т. п. Величина rs из­меряется десятыми долями Ом и единицами Ом.

Полное сопротив­ление схемы при данной частоте ?:

, (5.4)

где Ri min2= 1/С.

Приравнивая к нулю действительную часть полного сопротивле­ния, находим предельную частоту, на которой туннельный диод способен генерировать колебания:

(5.5)

Максимальное значение предельной частоты получается при Rimin=2rs. Следовательно, частотные свойства туннель­ного диода определяются постоянной времени rsС.

Уменьшать емкость С путем уменьшения площади перехода не­целесообразно, так как при этом уменьшается и пиковый ток I1, что увеличит отрицательное сопротивление, и, следовательно, пре­дельная частота останется без изменения. Таким образом, при уменьшении С ток I1 должен оставаться неизменным, поэтому ка­чество туннельного диода удобно характеризовать отношением .

Для изготовления туннельных диодов применяются различные полупроводниковые материалы: германий, кремний, арсенид галлия, фосфат индия, арсенид индия, антимонид индия и антимонид галлия. Выбор материала в значительной степени определяется требуемыми параметрами прибора. Наиболее перспективным материалом является арсенид гал­лия, обладающий наилучшими параметрами. Для германиевых диодов в качестве доноров используют фосфор или мышьяк, а в качестве акцепторов — галлий или алюминий. Для арсенид-галлиевых - олово, свинец, серу, селен, теллур (доноры), цинк, кадмий (акцепторы). Для получения узкого p-n-перехода применяется метод вплавления или диффузии примесей.

Основными достоинствами тун­нельного диода являются:

— высокие рабочие частоты — до 40 ГГц и весьма малое время переключения, которые определяют­ся преимущественно конструктивны­ми особенностями, а не временем прохождения электронами р-n перехода, составляющим около 10-13сек;

— высокая температуростойкость; у арсенид-галлиевых тун­нельных диодов рабочая тем-пература достигает +600°С, у германиевых - до +200°С. Возмож­ность работы туннельных диодов при более высоких температурах по сравнению с обычными диодами объясняется тем, что в них ис­пользуется вырожденный полупроводник с большой концентра­цией примесей. При большой концентрации примесей концентра­ция электронов велика и влияние собственной электропроводности сказывается при более высоких температурах;

— низкий уровень шума;

— большая плотность тока, свойственная туннельному эффек­ту, достигающая 103.104А/см2.

Как недостаток, следует отметить малую мощность туннельных диодов из-за низких рабочих напряжений и малых площадей пе­рехода. К их недостаткам следует от­нести так же то, что они являются двухполюсниками. Поэтому в ряде схем, созданных на туннельных диодах, возникают определенные сложности с разделением цепей входа и выхода. Кроме того, туннельные диоды нуждаются в высокоста­бильных источниках питающих напряжений.

Для обеспечения возможности работы туннельных диодов на высоких частотах выбирают такие конструктивные формы, которые обеспечивают малые величины rs и L. Сопротивление rs понижают уменьшением размеров элементов. У туннельных диодов из гер-мания это сопротивление составляет 0,10,5 Ом, а у диодов из арсенида галлия — 110Ом.

Для образования контакта к кристаллу присоединяют мембран­ный массивный электрод и ленточный лепесток или припаивают плоскую пластину. При этом индуктивность составляет величину 10-10 Гн. Тонкая проволока неприемлема, так как подобные выводы имеют индуктивность не меньше, чем 3.10-9 Гн.

Германиевые туннельные диоды оформляются в металло-стеклянном корпусе с гибкими выводами, а арсенид-галлиевые туннельные диоды — в металлокерамическом корпусе.

В качестве примера можно привести следующие туннельные диоды:

1И302А —германиевый диод;

I1 = 1,7 2,3 мА; I1/I2== 4,5; U1 = 60 мВ; C = 80 пФ.

3И301А—арсенид-галлиевый диод;

I1 = 1,52,4 мА; I1/I2= 8; U1 =180 мВ; U3 ? 0,65 В; С=12 пф.

Различные конструкции туннельных диодов представлены схе­матически на рис. 5.5





а)

б)



в)

Рис. 5.5 Конструкции туннельных диодов:

а) патронного типа; б) таблеточного типа: в) с ленточными выводами;

1— полупроводниковый кри­сталл; 2 — p-n-переход; 3 — соединительный электрод; 4— корпус; 5, 6—выводы; 7—втулка корпуса; 8 — крышка
Туннельные диоды используются в схемах гене­раторов и усилителей диапазона СВЧ, в быстродей­ствующих ключевых и импульсных устройствах, в преобразователях частоты, детек­торах, умножителях частоты, в логических устройствах и других схемах. В табл.5.1 показано применение туннельных диодов в зависимости от величины I1 :

Таблица 5.1

I1, мА

Применение туннельного диода

0,030,3

Смеситель, видеодетектор(обращенный туннельный диод)

0,53

Усилитель, смеситель с усилением

5100

Генератор


5.5. Контрольные вопросы:


  1. Какой полупроводник называется вырожденным?

  2. Какова сущность туннельного эффекта?

  3. Начертите вольт-амперную характеристику туннельного диода.

  4. Какими факторами ограничивается предельная частота туннельного диода?

  5. Достоинства и недостатки туннельного диода.


1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации