Материал: Физические основы электроники

Рис. 2.14. Зонные энергетические диаграммы, поясняющие особенности вольт-амперной характеристики туннельного диода

В равновесном состоянии системы уровень Ферми постоянен для обеих областей полупроводникового диода, поэтому другие энергетические уровни искривляются настолько сильно, что нижняя граница дна

61

зоны проводимости области n-типа оказывается ниже верхней границы потолка валентной зоны области p-типа. Так как переход очень узкий, то носители заряда могут переходить из одной области в другую без изменения своей энергии, просачиваться сквозь потенциальный барьер, т. е. туннелировать (рис. 2.14, б).

В состоянии равновесия потоки носителей из одной области в другую одинаковы, поэтому результирующий ток равен нулю. Под воздействием внешнего поля энергетическая диаграмма изменится. При подключении прямого напряжения уровень Ферми и положение энергетических зон сместится относительно равновесного состояния в сторону уменьшения потенциального барьера, и при этом степень перекрытия между потолком валентной зоны материала p-типа и дном зоны проводимости материала n-типа уменьшится (рис. 2.14, в). При этом

взоне проводимости материала n-типа уровни, заполненные электронами (ниже уровня Ферми), окажутся против незаполненных уровней в валентной зоне материала p-типа, что приведет к появлению тока, обусловленного большим количеством электронов, переходящих из п-области

вр-область. Максимальное значение этого тока будет тогда, когда уровень Ферми материала п-типа и потолок валентной зоны материала р-типа будут совпадать (рис. 2.14, г). При дальнейшем увеличении пря-

мого напряжения туннельное перемещение электронов из п-области в р-область начнет убывать (рис. 2.14, д), т. к. количество их уменьшается по мере уменьшения степени перекрытия между дном зоны проводимости материала п-типа и потолком валентной зоны материала р-типа. В точке, где эти уровни совпадают, прямой ток р–п-перехода достигнет минимального значения (рис. 2.14, е), а затем, когда туннельные переходы электронов станут невозможны (рис. 2.14, ж), носители заряда будут преодолевать потенциальный барьер за счет диффузии и прямой ток начнет возрастать, как у обычных диодов.

При подаче на туннельный диод обратного напряжения потенциальный барьер возрастает, и энергетическая диаграмма будет иметь вид, показанный на (рис. 2.14, з). Так как количество электронов с энергией выше уровня Ферми незначительно, то обратный ток р–п-перехода в этом случае будет возрастать в основном за счет электронов, туннелирующих из р-области в п-область. Поскольку концентрация электронов в глубине валентной зоны р-области велика, то даже небольшое увеличение обратного напряжения и связанное с этим незначительное смещение энергетических уровней приведут к существенному росту обратного тока.

Рассмотренные процессы позволяют сделать вывод, что туннельные диоды одинаково хорошо проводят ток при любой полярности приложенного напряжения, т. е. они не обладают вентильными свойствами.

62

Более того, обратный ток у них во много раз больше обратного тока других диодов. Это свойство используется в другом типе полупроводникового прибора – обращенном диоде.

Выводы

1.Отличительной особенностью туннельных диодов является наличие на прямой ветви вольт-амперной характеристики участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Это позволяет использовать туннельный диод в качестве усилительного элемента.

2.Туннельный эффект достигается за счет очень высокой концентрации примесей в p- и n-областях.

3.Так как возникновение туннельного тока не связано с инжекцией носителей заряда, туннельные диоды имеют малую инерционность и вследствие этого могут применяться для усиления и генерации высокочастотных колебаний.

2.5. Обращенный диод

Обращенный диод – это разновидность туннельного диода, у которого концентрация примесей подобрана таким образом, что в уравновешенном состоянии, при отсутствии внешнего напряжения, потолок валентной зоны материала р-типа совпадает с дном зоны проводимости материала п-типа (рис. 2.15, а).

Рис. 2.15. Обращенный диод: а – зонная энергетическая диаграмма; б – вольт-амперная характеристика

63

В этом случае туннельный эффект будет иметь место только при малых значениях обратного напряжения, и вольт-амперная характеристика такого прибора будет аналогична обратной ветви вольт-амперной характеристики туннельного диода (рис. 2.15, б). Поэтому обратные токи в обращенных диодах оказываются довольно большими при очень

и вольт-амперная характеристика его аналогична прямой ветви вольтамперной характеристики обыкновенного диода. Поэтому прямой ток образуется только в результате инжекции носителей заряда через потенциальный барьер p–n-перехода, но при прямых напряжениях в несколько десятых долей вольта. При меньших напряжениях прямые токи в обращенных диодах меньше обратных.

Таким образом, этот диод оказывает малое сопротивление току, проходящему в обратном направлении, и сравнительно высокое – прямому току. Поэтому используются они тогда, когда необходимо выпрямлять очень слабые электрические сигналы величиной в малые доли вольта.

При этом включается он в обратном направлении, что и предопределило название такого диода.

2.6. Диоды Шоттки

Потенциальный барьер, полученный на основе контакта «металл– полупроводник», часто называют барьером Шоттки, а диоды, использующие такой потенциальный барьер, – диодами Шоттки. Как уже было рассмотрено выше, в контакте «металл–полупроводник» не происходит накопления неосновных носителей в базе из-за отсутствия инжекции неосновных носителей, вследствие чего значительно уменьшается время восстановления обратного сопротивления, что в сочетании с малой величиной барьерной емкости создает идеальные условия для использования таких диодов в импульсных и высокочастотных устройствах.

Диоды Шоттки изготавливаются обычно на основе кремния Si или арсенида галлия GaAs , реже – на основе германия Ge . Выбор металла для контакта с полупроводником определяет многие параметры диода. В первую очередь важна величина контактной разности потенциалов, образующейся на границе контакта. Чаще всего используются металлы Ag , Au , Pt , Pd, W , которые наносятся на полупроводник и дают ве-

личину потенциального барьера 0,2 0,9 эВ.

Диоды Шоттки на электрических принципиальных схемах изображают условным обозначением (рис. 2.16), которое используется только

64

тогда, когда необходимо сделать акцент на том, что в схеме используется именно диод Шоттки.

Рис. 2.16. Условное графическое обозначение диода Шоттки

2.7. Варикапы

Варикап – это полупроводниковый диод, в котором используется зависимость барьерной емкости р–п-перехода от обратного напряжения.

Таким образом, варикап можно рассматривать как конденсатор, емкость которого можно регулировать при помощи электрического сигнала. Максимальное значение емкости варикап имеет при нулевом обратном напряжении. При увеличении обратного напряжения емкость варикапа уменьшается. На рис. 2.17 показана зависимость емкости варикапа КВ126А-5 от приложенного напряжения.

Собр, пФ

Рис. 2.17. Варикапы:

а– вольт-амперная характеристика;

б– конструкции; в – условное графическое изображение

Основные параметры варикапов:

1.Номинальная емкость Cн – емкость между выводами, измеренная при заданном обратном напряжении.

2.Добротность варикапа Q – отношение реактивного сопротивле-

ния варикапа на заданной частоте к сопротивлению потерь при заданной емкости или обратном напряжении.

65