Материал: UnEncrypted

Після встановлення стаціонарного стану практично вся напруга V спадає на р-n-переході, оскільки його опір на багато порядків вищий, ніж опір решти областей напівпровідника.

Таким чином, прикладена до р-n-переходу зовнішня напруга викликає появу в перший момент часу імпульсу струму в зовнішньому колі, що приводить кінець кінцем до збільшення або зменшення об'ємного заряду р-n-переходу. Тому перехід поводиться як ємність. Її називають бар'єрною, або зарядною ємністю, оскільки вона пов'язана із зміною потенціального бар'єра р-n-переходу. При поданні на перехід зворотного зсуву бар'єрна ємність заряджається, при подачі прямого зсуву – розряджається.

З рис. 6.11, г, д видно, що плоский р-n-перехід подібний плоскому конденсатору. Тому величину бар'єрної ємності можна обчислювати за

відстані між обкладками конденсатора. Відмінність від конденсатора

Цими формулами зручно користуватися для малого змінного сигналу, накладеного на постійний зсув V.

Таким чином, діод може бути поданий такою спрощеною еквівалентною схемою: паралельно нелінійному активному опору р-n-

переходу Ra приєднані нелінійна дифузійна Сд і бар'єрна Сб ємності,

послідовно з цим колом приєднаний опір r пасивних областей діода (рис. 6.15). Для з'ясування особливостей роботи діода на високих частотах проаналізуємо детальніше цю схему.

Активний опір р-n-переходу при малому змінному сигналі низької частоти визначається співвідношенням (6.28). При цьому під низькою частотою розуміється така частота сигналу w , для якої період коливань набагато більший часу життя інжектованих носіїв, тобто 1/ w tp. У цьому

випадку за час 1/ w у переході встигають протікати всі перехідні процеси і дифузійна ємність описується співвідношенням (6.31), а бар'єрна – (6.33).

У міру підвищення частоти сигналу w часу 1/ w виявляється більшою мірою недостатньо для завершення перехідних процесів. Це повинно призводити до зменшення числа носіїв, інспектованих в позитивний півперіод сигналу, і тим самим до зменшення дифузійної ємності. Крім того, інжектовані носії не встигають продифундувати в

80

Як бачимо, вони рівні між собою: = .

то активний опір р-n-переходу на високих частотах не залежить від часу життя інжектованих носіїв і зменшується обернено пропорційно:

Аналогічно поводиться і опір дифузійної ємності СД:

(6.41)

На рис. 6.16 схематично подана залежність R а і СД від частоти сигналу, штриховою прямою показана бар'єрна ємність р-n-переходу, не залежна від . З рис. 6.16 видно, що на високих частотах бар'єрна ємність

стає більше дифузійною, унаслідок чого її провідність перевищує

провідність дифузійної ємності і рівну їй активну провідність р-n- переходу.

Зменшення на високих частотах опору р-n-переходу призводить до того, що велика частина напруги, прикладеної до діода, спадає не на переході, а на опорі пасивних областей діода. На частотах, на яких опір р-n-переходу стає набагато меншим r , струм як при прямому, так і при зворотному зсувах визначається вже не ним, а r , внаслідок чого діод втрачає свої властивості, що детектують. За максимальну частоту роботи діода () приймають частоту, при якій величина еквівалентного опору

р-n-переходу (між точками 1 і 2 рис. 6.15) виявляється рівною опору пасивних областей r . Оскільки на високих частотах еквівалентний опір

р-n-переходу визначається бар'єрною ємністю 1/ wCб , то при визначенні граничної частоти необхідно порівнювати r з опором бар'єрної ємності Сб і оцінюватиіз співвідношення

82

З (6.42) витікає, що для збільшення граничної частоти роботи діода необхідно зменшувати. Опір можна зменшувати, покращуючи

якість омічних контактів до n- і р-областей діода і зменшуючи товщину цих областей. Здавалося б, що підвищитиможна також зменшенням

площі S р-n-переходу, оскільки при цьому повинна зменшуватися ємність . Проте у такий спосіб можна досягти підвищення тільки

у точкових діодів. Насправді для плоских переходів , тому

питомий опір напівпровідника; а – радіус півсферичного контакту; S = pa – площа переходу (рис. 6.17). Оскільки то і

. Тому зменшенням S можна досягти підвищення.

До збільшення приводить і зменшення питомого опору r – пасивних областей діода. Дійсно, наприклад, для несиметричного р-n- переходу з високоомною n-областю тому

де – питомий опір n-області. Слід, проте,

пам'ятати, що із збільшенням ступеня легування пробивна напруга р-n-переходу cпадає і врешті-решт ми одержуємо спочатку характеристику оберненого діода (найбільш високочастотного), а при ще

83

сильнішому легуванні – тунельного діода, вже непридатного для детектування.

6.8 Пробій р-п-переходу

На рис. 6.18 показана зміна зворотного струму р-n-переходу із зростанням зворотної напруги. При певному значенні Vзв = Vпроб спостерігається різке збільшення зворотного струму. Це явище одержало назву пробою переходу, а напруга Vпроб при якому відбувається пробій, називають напругою пробою.

Залежно від характеру фізичних процесів, що обумовлюють різке зростання зворотного струму, розрізняють 4 основні типи пробою: тунельний, лавинний, тепловий і поверхневий.

Тунельний пробій. При поданні до р-n-переходу достатньо високого зворотного зсуву заповнені рівні валентної зони р-області напівпровідника можуть розташуватися проти незаповнених рівнів зони провідності n- області (рис. 6.19, а). В цьому випадку можливий прямий тунельний перехід електронів з валентної зони р-області в зону провідності n-області, що просочуються крізь потенціальний бар'єр завтовшки х і висотою, змінною

від Еg у точці x1 до 0 в точці x2 . Із збільшенням товщина бар'єра

зменшується (рис. 6.19, б) і напруженість поля e у ньому росте. Якщо р-n- перехід достатньо тонкий, то вже при порівняно невисокому поле e

досягає такого значення, при якому починається інтенсивне тунелювання, електронів крізь р-n-перехід і його пробій. Для германію це відбувається

при В/м, для кремнію при e = 108 В/м. Такий пробій називається

тунельним. Зворотна гілка ВАХ переходу, що відповідає цьому типу пробою, показана на рис. 6.18 кривої 2. Із збільшенням товщини р-n-переходу вірогідність тунельного просочування електронів зменшується і вірогіднішим стає лавинний пробій.

Лавинний пробій. В достатньо широких р-n-переходах при високих зворотних напругах неосновні носії можуть набувати в полі переходу настільки високу кінетичну енергію, що виявляються здатними викликати ударну іонізацію напівпровідника. В цьому випадку відбувається лавинне наростання зворотного струму, що приводить до лавинного пробою переходу. В області пробою зміна зворотного струму із зростанням напруги є дуже крутою (крива 3, рис. 6.18). Цей ефект використовується для стабілізації напруги. Діоди, призначені для роботи в такому режимі, називаються стабілітронами. Вони виготовляються з кремнію, оскільки кремнієві діоди мають вельми круту зворотну гілку і в широкому діапазоні робочих струмів у них не виникає теплового пробою, що приводить до появи на зворотній гілці ВАХ ділянки з негативним опором, як це має місце у германієвих приладах (крива 1, рис. 6.18).

84