1.2.7. Туннельные и обращенные диоды
Туннельный и обращенный диоды относятся к группе полупроводниковых диодов с чрезвычайно сильным легированием полупроводника примесями, вследствие чего создается очень малая толщина запирающего (обедненного) слоя – порядка 5–15нм – и возникает так называемый туннельный эффект, заключающийся в том, что при таком тонком p-n переходе носители тока, даже обладающие энергией меньшей, чем уровень потенциального барьера (т.е. меньшей «ширины запрещенной зоны») могут проникать сквозь этот барьер.
Туннельный диод – это двухэлектродный полупроводниковый прибор, ВАХ которого вследствие туннельного эффекта в своей прямой ветви имеет участок отрицательного дифференциального сопротивления (участок БВ на рис.24,б).
Рис. 24. Общий вид и графический символ туннельного диода (а) и его характеристика (б)
Механизм образования туннельного эффекта можно пояснить, как и ранее, на основании энергетических диаграмм следующим образом. При высокой концентрации примесей (около 1024 1/м3 или 0,01%) уровень Ферми (т. е. энергия, от которой начинается возбуждение электронов и дырок) перемещается вверх и попадает в зону проводимости (в случае полупроводника n-типа) или перемешается вниз и оказывается в валентной зоне (в случае проводника p-типа). В этих случаях говорят, что полупроводник становится «вырожденным». Туннельный диод является единственным прибором, в котором как p-, так и n-стороны перехода выполнены из вырожденных полупроводников [7]. В этом случае, как видно из диаграммы рис. 25,а, дно зоны проводимости (ЗП) n-области располагается ниже потолка валентной зоны p-области.
Рис. 25. Энергетические диаграммы туннельного диода, определяющие вид его вольтамперной характеристики (ВАХ)
При отсутствии внешнего напряжения (рис. 25,а) вопреки законам классической механики существует возможность перехода электронов проводимости из ЗП n-области на свободные уровни (дырки) валентной зоны (ВЗ) p-области, а валентных электронов из ВЗ p-области в ЗП n-области без изменения их энергии (внешнего электрического поля нет). Эти переходы обозначены на рис. 25 стрелками. Ввиду того, что эти переходы происходят без преодоления потенциального барьера непосредственно через «склон энергетической схемы», они и названы туннельным эффектом. При этом в отсутствие внешнего напряжения (электрического поля) движение электронов через p-n-переход в обоих направлениях уравновешено и результирующий ток туннельного эффекта равен нулю. При приложении обратного напряжения (рис. 25,б) одна из составляющих тока начинает преобладать и образует ток туннельного эффекта (участок ОА на рис. 24,б), причем, этот ток по мере увеличения обратного напряжения стремительно растет и приводит к туннельному пробою. Далее, при небольших прямых напряжениях туннельный ток внешней цепи также продолжает расти (рис. 25,в) до тех пор, пока дно ЗП n-области находится ниже потолка ВЗ p-области, т. е. участок ОБ на рис. 24,б. Туннельный ток достигает максимума в точке Б вольтамперной характеристики (рис. 24,б), когда уровень Ферми на n-стороне совпадают с потолком ВЗ p-области (рис. 26). В этом случае электроны с n-стороны достигают всех вакантных состояний на p-стороне.
Рис. 26. Энергетические диаграммы туннельного диода, соответствующие максимуму тока в точке Б ВАХ (а) и в точке В ВАХ (б) рисунка 24,б
Дальнейшее увеличение прямого смещения увеличивает рост числа электронов, стремящихся проникнуть сквозь запрещенную зону. Однако, переместиться за счет туннельного эффекта эти электроны не смогут из-за отсутствия нужных энергетических уровней и в результате ток уменьшается до нуля, когда потолок ВЗ p-стороны совмещается с дном ЗП n-стороны (рис. 26,б). По мере дальнейшего повышения прямого напряжения (рис. 25,г) туннельный эффект полностью прекращается и p-n переход приобретает свойства обычного диода (участок ВГ ВАХ рис. 24,б).
Если туннельный эффект пропадает раньше, чем возникает обычный прямой ток, то, как видно из ВАХ рис. 24,б, на ее прямой ветви имеет место падающий участок БВ отрицательного сопротивления, который и используется в туннельных диодах. Таким образом, ход ВАХ рис. 24 на участке АОБВ обусловлен туннельным эффектом, а на участке ВГ – обычным механизмом прохождения прямого тока через p-n переход.
Важнейшим преимуществом туннельных диодов перед другими полупроводниковыми приборами является малая потребляемая мощность, высокая температурная стабильность и чрезвычайно высокое быстродействие вследствие малого времени переноса носителей через тонкий p-n переход. Поэтому эти диоды способны работать в схемах усилителей и генераторов сверхвысоких частот (до 100ГГц), а также в схемах быстродействующих коммутирующих устройств с временем переключения 1–10нс (триггерах, запоминающих ячейках и логических элементах ЭВМ и т. д.). Единственным недостатком туннельных диодов является их малая выходная мощность и некоторая нестабильность работы из-за разброса параметров.
Основное применение туннельного диода в схемах СВЧ генераторов и усилителей связано с падающим участком его вольтамперной характеристики, что является эквивалентом некоторого отрицательного сопротивления. Например, в схемах генераторов с помощью отрицательного сопротивления туннельного диода (рис. 27) можно компенсировать потери в колебательном контуре и получить в нем незатухающие колебания [11]. Правда, вследствие узкого интервала напряжений на этом участке (не более 0,2В) амплитуда генерируемых колебаний оказывается небольшой. Более того, из-за нелинейности характеристики вблизи точек максимума (пика) и минимума (впадины) форма генерируемых колебаний искажается. Для уменьшения искажений приходится уменьшать рабочий участок характеристики, ограничиваясь его линейной частью. Однако, это приводит к уменьшению отдаваемой мощности, которая практически не превышает нескольких сотен милливатт.
В
схеме рис. 27 простейшего СВЧ генератора
положение рабочей точки на падающем
участке задается с помощью делителя
R1, R2.
Катушка индуктивности L
и собственная емкость диода Cд
образуют колебательный контур, в котором
выполняются условия самовозбуждения
при условии, если величина упомянутого
отрицательного сопротивления
окажется достаточной для компенсирования
потерь в контуре, т. е.
(34)
Рис. 27. Принципиальная (а) и эквивалентная (б) схемы простейшего автогенератора на туннельном диоде
При этом генератор самовозбуждается с частотой колебаний
(35)
где
– общее активное сопротивление,
учитывающее в эквивалентной схеме рис.
27,б сопротивление делителя и сопротивление
потерь контура.
Рис. 28. Вольтамперная характеристика обращенного диода
Разновидностью туннельного диода является обращенный диод, у которого туннельный эффект имеет место только в обратной ветви ВАХ (рис.28). Это достигается немного меньшей концентрацией примеси по сравнению с обычным туннельным диодом. Для этого степень легирования p-n-перехода снижена ровно на столько, чтобы края энергетических зон совпали при нулевом смещении (как показано на рис. 26,б) т. е. потолок ВЗ p-стороны и дно ЗП n-стороны должны выровняться, но при нулевом смещении [7]. Вследствие этого при подаче прямого смещения ток оказывается очень малым, так как эффект туннелирования не наблюдается. Однако, при обратном смещении возникает значительный туннельный ток, который для различных типов находится в диапазоне 0,01–0,5 мА. Время переключения их составляет 0,5–1 нс. Основное применение обращенных диодов – детекторы малых сигналов и ключевые устройства для импульсных сигналов малой амплитуды. Типичные ВАХ диодов представлены на рис. 29.
Рис. 29. Вольтамперные характеристики обращенных диодов
Из ВАХ рис.29 видно, что обращенный диод – выпрямитель малых сигналов при обратной полярности выпрямленного напряжения по сравнению с аналогичным напряжением, выпрямленным обычным диодом.
1.2.8. Pin-диоды
Pin-диодом называется полупроводниковый диод, у которого между областями p- и n-типа содержится слой собственного полупроводника (i-область).
Структура pin-диода изображена на рис. 30. В нее входят две сильно легированные области p и n, разделенные областью i с электропроводностью, близкой к собственной. Положительное смещение полупроводника p по отношению к полупроводнику n-типа вызывает перемещение электронов из n-области и одновременно дырок из p-области в собственный полупроводник. Концентрация соответствующих примесей в i-области резко увеличивается, что приводит к значительному уменьшению сопротивления этой области. При противоположном смещении вследствие большой ширины запирающего i-слоя собственного полупроводника сопротивление слоя резко возрастет. При этом емкость перехода практически не изменяется. Изменение сопротивления достигается в интервале от нескольких Ом до десятков кОм. Практическое значение имеет технология изготовления мощных быстродействующих pin-диодов. При толщине i-области 0,01–0,05 см pin-структура способна выдерживать СВЧ напряжения более 1кВ. Основное применение pin-диодов – в качестве высоковольтных сильноточных выпрямительных переключательных СВЧ-диодов, лавинно-пролетных диодов, фотодиодов и т. д. [10].
Рис. 30. Схематическое изображение p-i-n структуры и распределение носителей заряда
в i-области: а – изображение p-i-n структуры: p – область с высокой концентрацией акцепторов, n – область с высокой концентрацией доноров, i – область почти собственной проводимости имеющая электронный или дырочный характер проводимости; б, в и г распределение электронов и дырок при нулевом
и обратном смещении соответственно