Лекция приборы полупрводниковой функциональной электроники план

1 БИСПИН-приборы

2 Приборы на волнах пространственного заряда

3 Квантовые приборы

1. Биспин-приборы

БИСПИН-приборы представляют собой полупроводниковые структуры с бисмещенным переходом и инжекционной неустойчивостью. Эти приборы преобразуют входной аналоговый сигнал в регулярную последовательность импульсов тока, напряжения.

В качестве континуальной среды используется полупроводниковая структура с распределенным p⁺-n-или n⁺-p-переходом (рис. 4.22).

На поверхности слабо легированной n- или p-области формируют нелинейный (А) и омический (В) контакты. В качестве нелинейного контакта может выступать встроенный локальный п+-р-п- или р -п-р~ транзистор.

Рис. 1 – БИСПИН – структура

На поверхности сильно легированной p⁺- или n⁺-подложки формируется омический контакт (С). Если к контактам А и В приложить определенную разность потенциалов U_AB таким образом, чтобы n⁺-область была включена в прямом направлении, а затем структуру осветить со стороны слабо легированной области, то во внешней цепи появляются импульсы тока определенной частоты следования. При большой скважности импульсы тока имеют релаксационную форму. В промежутках между импульсами тока на контакте С имеют место пилообразные импульсы напряжения. Аналогичная генерация проявляется и без подсветки, но при пропускании тока через распределенный p⁺-n-переход. Увеличение интенсивности подсветки или уровня тока в подложку приводит к пропорциональному росту частоты следования импульсов без изменения их амплитуды, величина которой определяется разностью потенциалов U_AB на структуре. Таким образом, БИСПИН может рассматриваться как релаксационный генератор, имеющий три независимых канала управления: потенциальный, токовый и гальванически развязанный - световой. Каждый из каналов характеризуется порогом генерации, величина которого зависит от состояния двух других каналов и с их помощью легко изменяется в большую или меньшую сторону.

В зависимости от напряжения питания, уровня освещенности или тока в подложку БИСПИН может находиться в трех состояниях:

– закрытое, с низкой проводимостью, когда внутреннее сопротивление

– структуры между контактами А и В определяется сопротивлением обратно смещенного коллекторного перехода локального транзистора и составляет ~10⁸ Ом;

– открытое, с высокой проводимостью, когда сопротивление структуры не превышает единиц кОм. В это состояние структура переходит при больших уровнях токов в подложку или подсветке;

– автоколебательное.

Из сказанного выше следует, что БИСПИН может работать как ключ, если время нарастания подаваемого на его вход сигнала не превышает периода следования импульсов при максимальной частоте повторения.

Физический механизм работы БИСПИНа в автоколебательном режиме состоит в следующем. После включения источника напряжения благодаря тому, что сопротивление обратносмещенного коллекторного перехода локального транзистора существенно превышает сопротивление R_n n-слоя, коллекторный потенциал фк и потенциал под омическим контактом фв совпадают с точностью до 10^–3 В, т. е. φ_K=φ_B. Такого же уровня достигает потенциал подложки φ. Следовательно, распределенный p⁺-n-переход находится под нулевым смещением. При включении света за счет внутреннего фотоэффекта происходит зарядка распределенного p⁺-n-перехода и возникает инжекция дырок из подложки в n-слой. При этом часть дырок попадает в коллекторную область встроенной локальной n⁺-p-n-структуры. Для дырок в n-слое коллекторный переход является экстрактором, благодаря чему они поступают в p-базу локального транзистора и скапливаются в ней. Последнее обстоятельство приводит к понижению потенциального барьера эмиттерного n⁺-p-перехода и инжекции электронов из n-эмиттера в узкую p-базу, после пролета которой они оказываются в n-слое структуры. Благодаря этому возникает электронный ток I_n, протекающий по n-слою вдоль распределенного p⁺-n-перехода к омическому контакту. Следует иметь в виду, что этот электронный ток во много раз больше тока дырок, поступающих в p-базу локального транзистора.

Падение напряжения I_nR_n на распределенном сопротивлении n-слоя (R_n= 3–5 кОм) приводит к снижению потенциала φ_к вблизи коллекторного перехода (φ_к=U_AB–I_nR_n). Поскольку потенциал подложки φ вследствие ее высокого уровня легирования можно считать независимым от координаты, то смещение на распределенном p⁺-n-переходе вдоль него изменяется. Прямое смещение этого перехода под коллектором локального транзистора увеличивается, а в остальной, большей его части, сначала уменьшается, а затем становится отрицательным. Инжекция дырок из p⁺-области в p-базу транзистора при этом растет, что в свою очередь вызывает еще больший перекос в смещении p⁺-n-перехода и т.д. Процесс развивается лавинообразно и приводит транзистор в режим насыщения.

Вольт-амперная характеристика структуры имеет S-образный вид, и в этом случае следует ожидать токовую неустойчивость. Токовая неустойчивость в БИСПИН-структуре является динамической неоднородностью в приборах этого типа.

При небольших уровнях фототока основной поток дырок в p-область локального транзистора поступает из p⁺-подложки за счет двух процессов: перераспределения фототока и перезарядов барьерной емкости p⁺-n-перехода. В начале процесса дырки, образующиеся вследствие внутреннего фотоэффекта, захватываются полем объемного заряда p⁺-n-перехода и перебрасываются в n-подложку, благодаря чему он весь равномерно переходит в состояние прямого смещения (до 0,3 В). Вследствие этого дырки также равномерно инжектируются в n-слой по всей площади распределенного перехода, и в базу транзисторной структуры поступает лишь небольшая их часть, определяемая величиной площади этого перехода, расположенной под коллектором локальной структуры. Вследствие развивающейся описанной выше петли положительной обратной связи (включающей ток вдоль n-слоя, падение потенциала φ_к и рост прямого смещения на p⁺-n-переходе) распределенный переход оказывается бисмещенным, происходит перераспределение инжекционного тока дырок, в результате чего все фотодырки, собранные основной обратносмещенной частью p⁺-n-перехода, поступают через прямосмещенную часть в базу локальной транзисторной структуры. К этому току добавляется ток перезарядки емкости p⁺-n-перехода через открытую вертикальную n⁺-p-n-p⁺ структуру. Оценки показывают, что начальный всплеск тока в импульсе носит емкостный характер, и его амплитуда линейно зависит от разности потенциалов на структуре.

После прекращения перезарядки p⁺-n-перехода количество дырок, поступающих в базу локальной транзисторной структуры, резко сокращается и остается только поток фотодырок. Концентрация их в базе из-за рекомбинации резко сокращается и все большая часть коллекторного перехода выходит из насыщения, сопротивление растекания коллектора увеличивается, коллекторный ток снижается, и площадь прямосмещенной части p⁺-n-перехода уменьшается.

Если фототок настолько велик, что ток вдоль p⁺-n-перехода обеспечивает сохранение на нем прямосмещенного участка, то структура остаеткрытой. В противном случае она переходит в закрытое состояние и весь процесс повторяется (автоколебательный режим).

Таким образом, в процессе развития импульса p⁺-n-переход проходит четыре состояния: с нулевым смещением, прямосмещенное, обратносмещенное и бисмещенное. Последнее обстоятельство послужило основанием для названия структуры и прибора.

Возможности практического применения БИСПИНов определяются, помимо их многофункциональности, совокупностью следующих свойств: в ысокой чувствительностью по входу; большой амплитудой выходного сигнала; малыми темновыми токами; широким диапазоном перестройки; большой крутизной преобразования "аналоговый сигнал - частота следования импульсов"; наличием на выходе сигналов двух типов - релаксационного токового и пилообразного (напряжения); широким диапазоном напряжений питания; большим интервалом сопротивлении нагрузки.

Особого внимания заслуживает вопрос о применении БИСПИНов в датчиковых устройствах. Здесь возможны два направления:

– использование БИСПИНа, как датчика, например, светового потока, температуры, тока, напряжения и т.д.

– использование БИСПИНа в качестве преобразования "аналоговый сигнал - частота" для любых стандартных и выпускаемых промышленностью датчиков.

На БИСПИН-структурах можно создавать оптоэлектронные преобразователи с частотным выходом и светодиодами. На многовходовых, включая несколько светодиодов, оптронах можно реализовать полный набор логических функций.

Весьма плодотворной является идея интегрального исполнения БИСПИН-структур. В этом случае существенно расширяются размеры континуальной среды, увеличивается число динамических неоднородностей и появляется возможность расширить степень интеграции функций такого устройства.