Запирающий слой

Рис. 5.4

В равновесном состоянии скорости генерации и рекомбинации носителей одинаковы, поэтому результирующий поток носителей равен нулю. При обратном смещении p-n перехода запирающий слой обедняется основными носителями. Недостаток носителей замедлит скорость рекомбинации. Поэтому равновесие сдвинется в сторону процесса генерации носителей. Причем, избыточные генерируемые носители в запирающем слое подхватываются контактным полем перехода и выбрасываются в нейтральные области: дырки в n- область, электроны в p- область. Эти потоки носителей образуют ток генерации (термогенерации).

С увеличением обратного напряжения ширина запирающего слоя возрастает, следовательно, увеличивается и объем перехода, в котором происходит генерация подвижных носителей. Поэтому с ростом обратного напряжения ток генерации возрастет.

Соотношение токов генерации с током дрейфа (тепловым током) определяется выражением:

,

где l - ширина запирающего слоя, L_Д - диффузионная длина носителей.

Из формулы следует, что ток генерации возрастает:

• с ростом N_Д (с увеличением степени легирования),

• с уменьшением диффузионной длины носителей (с уменьшением времени жизни носителей),

• с возрастанием толщины запирающего слоя (с ростом обратного напряжения),

• с уменьшением концентрации собственных носителей в собствен- ном полупроводнике (то есть с ростом ширины ЗЗ).

Расчеты показывают, что для германиевых диодов I_ДGe  0,1 I₀, а для кремниевых диодов с более широкой ЗЗ I_ДSi  (1000÷3000) I₀, т.е. обратный ток в кремниевых диодах определяется в основном токами генерации.

Токи утечки объясняются поверхностными явлениями. Они подчиняются закону Ома, но практически не зависят от температуры. Этот ток определяет временную и климатическую нестабильность обратной ветви ВАХ диодов.

Составляющие полного обратного тока имеют вид:

Рис. 5.5

5.3. ПРЯМОЙ ТОК ДИОДА. ТОК РЕКОМБИНАЦИИ.

СОПРОТИВЛЕНИЕ ТЕЛА БАЗЫ

При прямом смещении, вследствие снижения потенциального барьера через переход, протекают токи диффузии. Поэтому концентрация свободных носителей в запирающем слое увеличивается и генерационно-рекомбинационный процесс сдвигается в сторону возрастания скорости рекомбинации. При этом прямой ток определяется выражением:

I_пр = I_диф + I_r,

где I_r – ток рекомбинации. Зависимость этого тока от напряжения имеет вид:

,

т.е. I_r растет медленнее I_диф с ростом U. Поэтому влияние тока I_r на ВАХ сказывается только при малых прямых смещениях. При больших смещениях U_пр  0,2В, током I_r можно пренебречь.

Прямой ток, протекая через толщу полупроводника, создает дополнительное падение напряжения U = I_прR, где R- сопротивление p и n – объемов (см. рис. 5.6). Поэтому к переходу будет приложена не полная величина внешнего напряжения, а только часть его U_пер= U - I_ДR, где I_Д – ток, протекающий через диод.

Рис. 5.6

Поскольку при обратных смещениях величина I_Д мала, то падением напряжения на сопротивлении R тела полупроводника можно пренебречь. Прямые токи через переход велики, поэтому они создают заметное падение напряжения на сопротивлении R.

Обычно в диодах применяют полупроводники с различной степенью легирования. Поэтому диффузионный поток носителей или инжекция из более сильно легированной области будет преобладать над встречным диффузионным потоком носителей противоположного знака. Область p-n перехода, из которой происходит инжекция, называется эмиттером. Область, в которую инжектируются носители, называется базой. Поскольку концентрация свободных носителей в слаболегированной базовой области мала, то сопротивление R_пер будет, определятся сопротивлением тела базы R_пер  r_б.

Поэтому, при прямых смещениях выражение для ВАХ диода имеет вид:

.

Падение напряжения на сопротивлении тела базы r_б и определяет более медленный рост тока при прямых смещениях.

5.4. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ВОЛЬТ – АМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕ- РИСТИКИ ДИОДА

Для всех полупроводниковых приборов и, в частности, полупроводниковых диодов свойственна высокая чувствительность к температуре. На рисунке 5.7 показаны ВАХ диода при различных значениях температуры:

Рис. 5.7

Влияние температуры на обратную ветвь ВАХ связана с зависимостью теплового тока I₀ и тока генерации I_Д от температуры, выражаемую формулой:

I₀(T)= I₀(T₀)exp(T),

где T₀ = 300⁰К, T =T-T₀, - коэффициент.

В соответствии с ростом этих токов (I₀ и I_Д) увеличивается полный обратный ток через переход. Для полного обратного тока справедливы соотношения:

,

где t⁰ - температура в градусах по Цельсию.

Рост составляющих обратного тока объясняется усилением процессов генерации неосновных носителей с повышением температуры.

Зависимость прямого тока от температуры, выражена относительно слабее, чем обратного. Это объясняется тем, что прямой ток обусловлен примесной проводимостью, которая в диапазоне температур T_S  T T_i мало зависит от температуры. Рост прямого тока с увеличением температуры объясняется в основном процессами в переходе, то есть изменением токов I₀, I_Д и I_r , так и снижением сопротивления базового слоя диода. Уменьшение r_б приводит к увеличению крутизны омического участка ВАХ.

Для оценки температурной зависимости прямого тока используют температурный коэффициент напряжения:

,

где U – изменение прямого напряжения на диоде при изменении температуры на Т градусов.

Для германиевых и кремниевых диодов эта величина составляет:

Увеличение температуры приводит к увеличению напряжения лавинного пробоя, что объясняется усилением рассеяния носителей на тепловых колебаниях решетки, т.е. снижением подвижности носителей. При дальнейшем росте температуры напряжение пробоя начинает уменьшатся.

Максимально допустимая температура диодов определяется возрастанием обратного тока и составляет для германиевых диодов 70⁰-80⁰С, кремниевых диодов 130⁰С, GaAs диодов 150⁰-200⁰С.

Минимально допустимая температура диодов определяется энергией ионизации примесей и составляет T_S = -200⁰. Однако для исключения механических повреждений из-за разности температурного коэффициента линейного расширения. T_min= -60⁰ ÷ -70⁰C.

5.5. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

5.5.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ

В основе практического применения диодов в радиотехнике и их классификации лежит ряд свойств p-n-переходов.

1. Выпрямительные диоды.

2. Высокочастотные диоды.

3. Импульсные диоды. Используют свойства асимметрии вольт-амперной характеристики.

4. Стабилитроны. Используют явления электрического пробоя перехода.

5. Варикапы. Используют зависимость емкости перехода от приложенного напряжения.

6. Туннельные и обратные диоды. Используют туннельный эффект в переходе.

7. Диоды Шоттки. Используют свойства перехода проводник- полупроводник.

Диоды обозначают буквенно-цифровым кодом. Первый символ обозначает материал перехода 1 или Г – Ge; 2 или К – Si; 3 или А – GaAs.

Следующий символ обозначает подкласс прибора:

Д – выпрямительные, импульсные диоды,

Ц – выпрямительные столбы и блоки,

И – туннельные диоды,

А – СВЧ диоды,

С – стабилитроны,

В – варикапы,

Г – генераторы шума,

Л – светоизлучающие диоды,

О – оптоэлектронные пары,

Н – диодный тиристор,

У – триодный тиристор.

Последующая группа символов характеризует специальные свойства приборов. Например:

5.5.2. КОНСТРУКЦИИ ДИОДОВ

По площади p-n перехода диоды подразделяются на точечные и плоскостные.

В точечных диодах p-n переход получают при помощи металлической иглы с нанесенной на острие примесью. При пропускании импульса тока примесь диффундирует в толщу полупроводника, образуя полусферический слой противоположного типа электропроводности.

Рис. 5.8

Точечные диоды имеют малую емкость перехода ( 1 пФ), могут применяться на всех частотах вплоть до СВЧ. Однако вследствие малой площади перехода точечные диоды допускают токи не более десятков mA.

Плоскостные диоды изготовляют методом сплавления или диффузии. Для их изготовления в пластину исходного полупроводника вплавляется капля примеси, либо создаются условия для диффузии газообразной примеси.

Плоскостные диоды допускают прохождение прямых токов, доходящих до сотен ампер в мощных диодах, но обладают большой емкостью до сотен пФ, что ограничивает частотный диапазон их применения областью НЧ.

Рис. 5.9

Диффузионная область диодов более богата примесями – она является эмиттером. Противоположная область является базой.

Выводы диодов образуются с помощью проводников, образующих омический контакт с полупроводником.

5.5.3. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ДИОДОВ

Наряду с ВАХ диодов, свойства диодов могут быть описаны с помощью параметров, основными из которых являются: диффузионное сопротивление R_диф, сопротивление по постоянному току R_с и емкость диода C_Д. Величина R_с характеризует свойства диода на постоянном токе, дифференциальные параметры характеризуют работу прибора на переменном токе.

Диффузионное сопротивление легко находится из выражения для ВАХ диода:

.

При обратных смещениях величина I мала и R_диф составляет 10-10000 кОм. При прямых смещениях R_диф составляет десятки, сотни Ом.

Сопротивление по постоянному току

.

В соответствии с этими параметрами каждая точка ВАХ диода характеризуется двумя значениями сопротивления: протеканию постоянного тока диод оказывает сопротивление R_с, а протеканию переменного тока малой амплитуды диод оказывает сопротивление R_диф. При прямых смещениях R_диф R_с. При обратных смещениях R_дифR_с.

Емкость диода состоит из трех составляющих барьерной, диффузионной (в зависимости от обратного или прямого смещения), а также емкости корпуса С_к. В качестве параметра используется емкость диода, измеренная при фиксированном смещении. Этот параметр диода должен учитываться при работе прибора в импульсном режиме, а также при работе на высоких частотах.

5.5.4.ЭКВИВАЛЕНТНАЯ СХЕМА ДИОДА

В расчетах радиотехнических схем диод приходится представлять в виде эквивалентной схемы, состоящей из элементарных элементов R,C,L, а при необходимости – источников тока и напряжения. С целью упрощения расчетов модель должна содержать только минимально необходимое число элементов, отражающих только главные физические процессы в диоде.

В частности, при работе на постоянных токах и НЧ эквивалентная схема должна учитывать сопротивление запирающего слоя p-n перехода R_П , которая зависит от смещения и сопротивления базы r_б.

Рис. 5.10

В области средних и высоких частот, а также в импульсном режиме дополнительно необходимо учитывать зависимость емкости диода от напряжения смещения.

Рис. 5.11

5.5.5. РАБОТА ДИОДА С НАГРУЗКОЙ

В практических схемах в цепь диодов включается нагрузка – резистор R_Н. Режим работы диода с нагрузкой называется рабочим режимом.

Рис. 5.12

Рис. 5.13

Расчеты рабочего режима заключаются в определении тока I в цепи и напряжения на диоде U_Д по известным Е, R_Н и ВАХ диода. Поэтому не удается получить явное решение у равнения Кирхгофа E = IR_Н + UД,

где I = f(U_Д).

Расчет выполняется графически. Для R_Н соблюдается закон Ома:

. (1)

С другой стороны из ВАХ диода следует:

I = f(U_Д). (2)

Эта система из двух уравнений решается графически в координатах I-U, изображает ВАХ диода и график функции (1) (при I = 0; U = E – точка A, при U_Д = 0; I = E/R_Н точка Б).

Уравнение (1) определяет линию нагрузки диода. Координаты точки пересечения графиков I^*, U^* дают искомое решение задачи расчета рабочего режима, т.е. ток в цепи I = I^* и напряжение на диоде U_Д = U^*.

5.5.6. ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ ДИОДЫ

Выпрямительный диод – полупроводниковый диод, предназначенный для выпрямления напряжения переменного тока.

Выпрямительные диоды используют в качестве вентилей элементов с односторонней проводимостью. Основное их применение - выпрямление токов с частотой до единиц кГц.

Простейшая схема однополупериодного выпрямления показана на рисунке 5.14.

Рис. 5.14

Во время положительной полуволны напряжения e(t) через нагрузку R_Н протекает импульс прямого тока с амплитудой I_m.

При воздействии отрицательной полуволны напряжения e(t) через диод протекает малый обратный ток I_обр.

Таким образом, через нагрузку протекает пульсирующий ток, в виде импульсов, длящихся полпериода и разделенных промежутком также в полпериода.

В более сложных двухполупериодных выпрямителях энергия источника e(t) используется более рационально. Схема такого выпрямителя имеет вид:

Рис. 5.15

В результате через R_Н при воздействии каждого полупериода напряжение e(t) протекает импульс тока одной полярности. Это позволяет достичь большего значения среднего выраженного тока I_СР.

Рис. 5.16

Промышленность выпускает специальные двухполупериодные диодные мосты – сборку, состоящую из 4 диодов (например, марки КД 906 КЦ 401, КЦ 405, КЦ 407, КЦ 409).

Выпрямительные диоды применяются также в цепях управления и коммуникации, для ограничения выбросов напряжения в цепях с индуктивностями, а также во всех цепях, где необходимы вентильные элементы и не предъявляется жестких требований к частотно-временным параметрам.

Отечественная промышленность выпускает широкую номенклатуру селеновых, германиевых, кремниевых и арсенидгаллиевых выпрямительных диодов, селеновых выпрямителей на токи до 500А и обратные напряжения до 1000В.

Наиболее широкое применение находят кремниевые диоды, т.к. они сравнительно дешевы, имеют более высокую рабочую температуру и малые обратные токи. Однако, при больших токах иногда выгодно применять германиевые диоды, т.к. они имеют меньшее прямое падение напряжения.

В целях увеличения рассеяния, выделяющиеся на диоде тепловой мощности, используют специальные теплоотводы, на которых укрепляется корпус диода.

В качестве параметров выпрямительных диодов в справочниках приводятся параметры U_ПР, при фиксированном токе I_ПР, а также предельные параметры I_прmax, U_обрmax.

Амплитуда выпрямляемого напряжения U_m ограничена U_обрmax. При необходимости выпрямления более высоких напряжений применяют последовательное соединение диодов.

Рис. 5.17

Однако, вследствие разброса обратного сопротивления диодов, падение напряжения на диодах распределяется не равномерно, что может привести к последовательному пробою всех диодов цепи. Для выравнивания напряжений диоды шунтируют одинаковыми сопротивлениями

R_ш  R_обрmin. На практике R_ш  100кОм.

Промышленность выпускает также выпрямительные столбы – цепочку последовательно соединенных диодов, размещенных в одном корпусе.

Для повышения максимального прямого тока иногда применяют параллельное соединение диодов. При этом также вследствие разброса характеристик наблюдается неравномерное распределение токов.

Рис. 5.18

Для выравнивания токов последовательно с диодами подключают резисторы R сопротивлением не более 1Ом. Добавочные сопротивления определяются методом подбора.

5.5.7. ИМПУЛЬСНЫЕ ДИОДЫ

Полупроводниковые диоды широко используются в качестве ключа – устройства, имеющего два состояния включенное и выключенное. Время смены состояния диода должно быть минимальным, т.к. оно определяет быстродействие РЭА. Диоды, предназначенные для работы в режиме ключа, называются импульсными.

Рассмотрим работу диода при воздействии прямоугольного импульса напряжения.

Рис. 5.19

При прямом смещении p-n перехода происходит инжекция неосновных носителей заряда из эмиттера (n⁺) в базу (p) диода. Поэтому концентрация неосновных носителей n_p превышает равновесную концентрацию n_p0. При переключении смещения с прямого на обратное неосновные носители не могут рекомбинировать мгновенно, начинается обратное движение носителей: инжектированные носители возвращаются к переходу, создавая при этом ток I_обр, который может значительно превосходить ток насыщения. С течением времени концентрация неосновных носителей стремится к равновесной из-за возвращения их через переход и рекомбинации. По мере рассасывания неосновных носителей ток стремится к I₀ и достигает его значения в течение времени _восс, называемого временем восстановления обратного сопротивления. За это время из тела базы диода выводится заряд неосновных носителей, который называется зарядом переключения.

Вторая причина возникновения импульса обратного тока – заряд барьерной емкости перехода.

При подаче на диод импульса тока, напряжение на диоде устанавливается через время _уст, которое называется временем установления прямого сопротивления.

Рис. 5.20

Снижение напряжения на диоде обусловлено процессом накопления неосновных носителей в базе диода, что приводит к постепенному снижению сопротивления диода при прямом смещении. После окончания импульса тока, напряжение на диоде спадает по мере рассасывания неосновных носителей и разряда диффузионной емкости диода. Таким образом, быстродействие полупроводниковых приборов определяют процессы накопления и рассасывания неосновных носителей, а также процессы перезаряда емкостей перехода. Увеличение быстродействия или снижение _усти_воссможно достичь снижая_pи_n, а такжеC_биC_Д. Длительность переключения зависит также от соотношенияI_пр/I_обр, т.к. чем большеI_пр, тем больше скапливается неосновных носителей в базе, т.е. ограничивая прямой ток через диод, можно существенно сократить время переключения диода.

5.5.8. ПАРАМЕТРЫ ИМПУЛЬСНЫХ ДИОДОВ

Импульсные диоды характеризуются величиной прямого и обратного импульсного тока, которые значительно превышают непрерывные токи.

Быстродействие диода, как ключа, характеризуют _уст и _восс.

По времени восстановления диоды подразделяют на следующие виды:

1. Быстродействующие _восс  10нСек.

2. Среднего быстродействия 10нСек.  _восс  100нСек.

3. Низкого быстродействия _восс  100нСек.

С точки зрения технологии изготовления, в качестве импульсных, могут использоваться сплавные диоды, точечные диоды и меза-диоды.

Сплавные диоды допускают большие прямые токи, но имеют значительное время восстановления _в  0,5мСек, что объясняется большой емкостью перехода.

Точечные диоды, обладая малой емкостью перехода (5 пф), характеризуются средним и высоким быстродействием, но допускают малые прямые токи ( 50 mA) и невысокие обратные напряжения (U_обрmax  20 В.).

Рис. 5.21

Меза - диоды изготовляют методом диффузии, а для снижения площади перехода производят травление кристалла (растворяют часть кристалла). В результате меза-диоды имеют _восс = 10-50 нСек при прямом токе до 0,5А и U_обрmax до 100 В.

5.5.9. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ СТАБИЛИТРОНЫ

Стабилитроны предназначены для стабилизации напряжения в различных схемах ЭА.

ВАХ стабилитрона имеет участок с высокой крутизной, где напряжение слабо зависит от тока через диод (обратная ветвь). Существуют стабилитроны общего назначения, прецизионные, импульсные двуханодные и стабисторы.

Стабилитроны общего назначения применяются в стабилизаторах источников питания, ограничителях напряжения.

Прецизионные стабилитроны применяются в источниках опорного напряжения и при стабилизации с термокомпенсацией.

Импульсные – для стабилизации импульсных напряжений и ограничения амплитуды импульса.

Рис. 5.22

Двуханодные стабилитроны применяются в схемах стабилизаторов и ограничителей с термокомпенсацией.

Стабисторы – для стабилизации малых напряжений.

Принцип работы стабилитронов основан на использовании электрического пробоя (кроме стабисторов).

Высоковольтные стабилитроны (U_ст  6,3В) использует лавинный механизм пробоя. Низковольтные (U_ст < 6,3В) – туннельный механизм.

Исходным материалом стабилитронов является кремний, обеспечивающий малые обратные токи I_обр и широкий диапазон температур.

Основными параметрами стабилитронов являются:

• напряжение стабилизации U_ст (от 3200В),

• ток стабилизации I_стmin и I_стmax – диапазон, в котором обеспечивается заданное U_ст,

• дифференциальное сопротивление R_диф. Чем меньше R_диф, тем лучше стабилизация (круче ветвь характеристики),

• статическое сопротивление R_с,

• ТКU_ст – температурный коэффициент, оценивающий изменение U_ст при изменении температуры,

• Емкость стабилитрона С_Д,

• - критерий качества стабилитрона,

• P_max – мощность рассеиваемая на стабилитроне.

5.5.9.1. СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ СТАБИЛИТРОНОВ

Простейшая схема включения стабилитрона в режиме стабилизации напряжения. В этом режиме напряжение на стабилитроне остается практически постоянным, поэтому и U_Н = U_ст – const. При этом уравнение для всей цепи имеет вид:

E= U_ст + R_ст (I_ст – I_Н).

Рис. 5.23

Наиболее часто стабилитрон работает в режиме, когда напряжение Е не стабильно, а R_Н – const. Для поддержания режима стабилизации следует правильно выбрать R_ст.

Обычно R_ст рассчитывают для средней точки А характеристики стабилитрона. Если:

E_min  E  E_max, то

Если Е изменяется в какую либо сторону, то будет изменятся ток стабилитрона, но напряжение на нем U_CT, а следовательно, и на нагрузке остается практически неизменным.

Рис. 5.24

Все изменения входного напряжения поглощаются R_CT, поэтому должно выполняться условие:

.

Второй режим стабилизации – Е-const, R_Н изменяется в пределах от R_Нmin до R_Нmax, в этом случае:

,

.

Так как R_CT постоянно, то падение напряжения на нем, равное Е-U_CT также постоянно, то и ток через R_CT I_CP+I_НCP должен быть постоянным. Это возможно, когда ток стабилизации I_CP и I_Н изменяются в одинаковой степени, но в противоположные стороны (т.е. сумма постоянна).

Из приведенных выражений следует, что для стабилизации в более широком диапазоне изменений Е, R_CT нужно увеличивать, а для стабилизации режима изменения тока нагрузки R_CT уменьшается (уменьшать R_CT – не выгодно, тратится лишняя энергия источника).

Если необходимо получить стабильное напряжение более низкое, чем дает стабилитрон, включают добавочное сопротивление последовательно с нагрузкой. Значение R_доб рассчитывают по закону Ома.

Рис. 5.25

U_Н=U_CTД - I_НR_доб

Для получения более высоких стабильных напряжений применяется последовательное включение стабилитронов с одинаковыми токами.

Рис. 5.26

U_CT=U_CT1+U_CT2

Для повышения стабильности напряжения применяются схемы каскадного соединения стабилитронов, эффективность стабилизации напряжения характеризуется коэффициентом стабилизации.

Рис. 5.27

.

При каскадном соединении К_СТ = К_СТ1 К_СТ2 …

Для компенсации температурного дрейфа U_CT последовательно со стабилитроном включают термозависимое сопротивление R_T, имеющее ТКR обратный по закону ТКU_CT.

Рис. 5.28

Для стабилитронов с ТКU_CT>0 в качестве R_T можно использовать p-n переход дополнительного диода, включенного в прямом направлении.

Для стабилизации с термокомпенсацией выпускаются специальные двуханодные стабилитроны, которые включаются в цепь произвольно, причем один диод включен в обратном направлении и обеспечивает режим стабилизации, а другой в прямом для термокомпенсации (КС-211, КС210).

5.5.9.2. СТАБИСТОРЫ

ВАХ стабистора мало отличается от ВАХ выпрямительных диодов.

Рис. 5.29

Однако, для того чтобы обеспечить наибольшую крутизну прямой ветви ВАХ, стабисторы изготавливаются из высоколегированных полупроводников. Это обеспечивает малое r_б и малое значение R_диф. Слабая зависимость U_ПР от I_ПР на рабочем участке позволяет использовать стабисторы для стабилизации малых напряжений  0,7В(Si). Последовательным включением стабисторов можно подобрать требуемое напряжение стабилизации. Стабисторы до 1В, а выше 1В – стабилитроны.

5.5.10. ТУННЕЛЬНЫЕ ДИОДЫ

Туннельные диоды – это полупроводниковые приборы, ВАХ которых имеет участок с отрицательным диффузионным сопротивлением.

Рис. 5.30

Туннельные диоды изготавливаются из полупроводников с высокой концентрацией примесей. Вследствие этого толщина запирающего слоя p-n перехода очень мала, что создает условия для туннельного эффекта (толщина 0,010,02мкм).

Наличие высокой концентрации примесей вызывает расщепление примесных уровней в зоны и сильное искривление энергетических зон.

При подаче обратного напряжения ток через диод резко увеличивается (туннелирование электронов из p в n область). Это эквивалентно туннельному пробою p-n перехода.

При подаче прямого смещения возрастает поток электронов туннелированных из n области в p. По мере роста U_пр происходит увеличение I_пр, который достигает I_max при U₁(0  1) (для германиевых диодов U₁= 40  50 мВ; для арсенидгаллиевых диодов U₁=100  150 мВ, максимальное перекрытие зон ЗЗ и ЗП). При этих смещениях величина диффузионного тока через потенциальный барьер ничтожна, и I_пр определяется только туннельным эффектом. При дальнейшем увеличении U_ПР I_ПР уменьшается (перекрытие энергетических зон уменьшается). При U_ПР = U₂ – туннельный ток равен нулю (12).

Этот участок ВАХ характеризуется отрицательным диффузионным сопротивлением:

т.к. I<0.

В точке 2 I_ПР = I_min – это обычный прямой диффузионный ток диода, (т.е. в точке 2 туннельный диод ведет себя как обычный диод), туннельный эффект закончился.

При дальнейшем увеличении U_ПР, I_ПР увеличивается (23) за счет роста диффузионного тока, идет процесс преодоления электронами потенциального барьера.

Основные особенности ВАХ туннельных диодов:

• участок с отрицательным R_диф,

• большие токи при обратных смещениях.

Основные параметры:

• ток максимальный I_max соответствует пику ВАХ,

• ток минимальный I_min соответствует минимуму ВАХ,

• напряжение пика U₁ соответствует току I_max,

• напряжение U₂ соответствует I_min,

• максимальный ток I_ПР,

• U_ПР соответствующее I_ПРmax,

• постоянное обратное напряжение,

• емкость диода.

Туннельные диоды используются в переключающих цепях сверхвысокого быстродействия (до 1000 мГц).

Разновидностью туннельных диодов являются обращенные диоды. Их особенность – это практическое отсутствие участка с отрицательным сопротивлением на прямой ветви ВАХ.

Рис. 5.31

По форме ВАХ обращенного диода представляет перевернутую ВАХ обычного диода. Открытое состояние для таких диодов соответствует обратному смещению. При обратном смещении ток через диод очень сильно зависит от напряжения. Достоинство – диоды могут работать при очень малых сигналах.

Они обладают хорошими частотными свойствами, т.к. туннелирование процесс малоинерционный, а смещения малы, так что практически отсутствует инжекция и накопление неосновных носителей.

Обращенные диоды используются в диапазоне СВЧ. Достоинством туннельных и обращенных диодов является высокая радиационная стойкость вследствие высокой концентрации примесей.

5.5.11. ВАРИКАПЫ

Варикап – это полупроводниковый прибор, который используется как нелинейная емкость, управляемая напряжением (емкость p-n перехода – функция приложенного напряжения).

В варикапах используется барьерная емкость, т.к. диффузионная зашунтирована малым прямым сопротивлением p-n перехода.

Варикап работает при обратных смещениях на p-n переходе. Его емкость меняется в широких пределах (101000 пФ) и определяется выражением:

,

где С₀ – емкость при U_Д = 0, U_K – значение контактного потенциала, U – приложенное обратное напряжение, n = 2 – для редких p-n переходов, n = 3 – для плавных переходов. С ростом U_обр емкость уменьшается.

Рис. 5.32

Основные параметры:

• емкость варикапа С_в – емкость, измеренная при заданном U_обр,

• коэффициент перекрытия по емкости – отношение емкостей при двух заданных U_обр; ,

• сопротивление потерь r_П – суммарное активное сопротивление варикапа,

• добротность Q_B – отношение реактивного сопротивления на заданной частоте Х_Ск сопротивлению потерь:

,

• ТКС_В – температурный коэффициент С_В.