Типы диодов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Туннельные диоды

В 1958 г. японским ученым Есаки было обнаружено, что р-n-структуры, имеющие очень большую концентрацию примесей (порядка 1019 - 1020 см-3), обладают аномальными характеристиками, показанными на рис. 2.27. В отличие от обычных диодов они хорошо проводят ток не только в прямом, но и в обратном направлении, а на прямой ветви их характеристики существует падающий участок. Аномальный ход характеристик сильно легированных р-n-структур обусловливается, как было установлено, туннельным эффектом, поэтому диоды подобного типа получили название туннельных.

Как известно из курса физики, частица, имеющая энергию, недостаточную для прохождения через потенциальный барьер, может все же пройти сквозь него, если с другой стороны этого барьера имеется такой же свободный энергетический уровень, какой занимала частица перед барьером. Это явление называется туннельным эффектом. В квантовой механике показывается, что вероятность туннельного перехода тем выше, чем уже потенциальный барьера и чем меньше его высота. Туннельный переход совершается электронами без затраты энергии. В обычных диодах, имеющих концентрацию примеси в менее легированной области не выше 1017 см-3, толщина электронно-дырочного перехода сравнительно велика и вероятность туннельного перехода электронов через потенциальный барьер ничтожно мала.

В туннельных диодах благодаря высокой концентрации примесей [см. формулу (1.40)] толщина перехода составляет около 0,01 мкм, т. е. барьер является очень узким. В этих условиях вероятность туннельного перехода электронов через потенциальный барьер оказывается значительной, что и приводит к своеобразному виду характеристики диода.

Для того чтобы уяснить, каким образом влияет туннельный эффект на характеристики туннельного диода, рассмотрим энергетические диаграммы сильно легированной р-n-структуры при различных значениях приложенного к ней напряжения. Вследствие высокой концентрации примесей локальные уровни в такой структуре образуют сплошную зону, а уровень Ферми смещается в зону проводимости в n-области и в валентную зону в р-области. Полупроводники такого типа называют вырожденными.

На рис. 2.28, б показана энергетическая диаграмма туннельного диода при нулевом смещении, штриховкой показаны энергетические уровни, заполненные электронами. В этом случае электроны могут совершать туннельные переходы в обоих направлениях; в состоянии равновесия результирующий ток равен нулю.

Если на туннельный диод подано обратное напряжение, то энергетические зоны смещаются таким образом, что напротив заполненных уровней валентной зоны р-области оказываются свободные уровни зоны проводимости n-области (рис. 2.28, а). При этом будет преобладать поток электронов, совершающих туннельный переход из валентной зоны р-области в зону проводимости n-области, что приводит к резкому увеличению обратного тока диода. Напомним, что в обычных диодах обратный ток невелик, так как он создается главным образом за счет экстракции неосновных носителей заряда, имеющих малую концентрацию. Этот режим соответствует участку А характеристики диода (см. рис. 2.27).

Если на туннельный диод подано прямое напряжение U, то заполненные уровни зоны проводимости n-области оказываются напротив свободных уровней валентной зоны р-области (рис. 2.28, в) и начинает преобладать туннельный переход электронов из зоны проводимости n-области в валентную зону р-области. Туннельный ток, создаваемый за счет этих переходов, имеет значительно большую величину, чем обычный диффузионный ток, он достигает максимального значения, когда уровень Ферми n-области совпадает с верхним уровнем валентной зоны р-области, что соответствует напряжению U1 на диоде порядка 40--50 мВ для германиевых и 100-150 мВ для арсенид-галлиевых диодов. Это участок В характеристики диода.

При дальнейшем увеличении прямого напряжения перекрытие заполненных и свободных уровней уменьшается и туннельный ток падает. Когда зона проводимости n-области полностью расположится напротив запрещенной зоны р-области, туннельный тек должен снизиться до нуля (рис. 2.28, г). Однако практически в этом режиме через диод протекает некоторый избыточный ток, определяемый локальными уровнями в запрещенной зоне, а также диффузионная составляющая тока. Это участок Г характеристики диода.

При еще большем смещении (рис. 2.28,д) ток становился чисто диффузионным. Это участок Д характеристики диода.

Параметрами туннельного диода являются ток Imах в точке максимума (от нескольких миллиампер до нескольких ампер) и отношение максимального тока Imах к минимальному току Imin (не превышающее пяти). Отрицательная дифференциальная проводимость диода (крутизна) S = dI/dU в центре падающего участка характеристики может достигать сотен миллиампер на вольт.

Наличие отрицательной проводимости у туннельного диода указывает на возможность использования этого прибора для генерирования и усиления колебаний, преобразования сигналов и переключения. На рис. 2.29,а показана схема включения туннельного диода как усилителя, а на рис. 2.29,б -- характеристика, поясняющая принцип ее работы. Благодаря отрицательному наклону вольт-амперной характеристики диода небольшое переменное напряжение Uвх приводит к появлению значительного переменного напряжения на нагрузке Uвых. Заметим, что если сопротивление нагрузки R' имеет большую величину, чем отрицательное сопротивление диода, то рассмотренная схема превращается из усилительной в ключевую, так как точки устойчивого равновесия А и Б у нее будут находиться на пересечении характеристики нагрузки с восходящими ветвями характеристики диода, а точка 0 является точкой неустойчивого равновесия. Напряжение питания Ед должно быть при этом увеличено до Ед'.

В связи с тем, что ток в туннельном диоде создается основными носителями, прохождение которых не связано с накоплением неравновесного заряда, прибор обладает чрезвычайно малой инерционностью. Предельная частота туннельного диода ограничивается лишь емкостью перехода, распределенным сопротивлением базы и индуктивностью выводов и может достигать сотен гигагерц. Отличительными особенностями туннельного диода являются также малое потребление мощности, устойчивость к радиационному излучению, малые габариты и масса. Влияние температуры на характеристику диода сравнительно невелико (рис. 2.30). Эти качества туннельного диода обусловили его применение в радиоэлектронике. Однако существенным недостатком устройств на туннельных диодах является сильная электрическая связь между выходом и входом, что затрудняет во многих случаях использование туннельных диодов.

Обращенные диоды

У диодов, имеющих концентрацию примеси в менее легированной области порядка 1018 см-3, в характеристике почти исчезает падающий участок, и она приобретает вид, показанный на рис. 2.31. При этом уровень Ферми находится у края валентной зоны и туннельный ток может проходить только при обратных напряжениях. Проводящему направлению у этих диодов соответствует обратная ветвь вольт-амперной характеристики, а запирающему - прямая.

Обращенные диоды из арсенида галлия характеризуются следующими значениями параметров: максимальный ток в проводящем направлении Imах=3 мА при напряжении U1<0,15 В, ток в запирающем направлении Imin=0,05-0,15 мА при напряжения U2<0,9 В. Поскольку ток в этих приборах создается основными носителями заряда, обращенные диоды могут работать на более высоких частотах, чем обычные полупроводниковые диоды.

«Горизонтальный» участок характеристики на прямой ветви может быть использован для стабилизации тока в цепи.

туннельный обращенный металлополупроводниковый диод

Общие сведения. Все рассмотренные ранее полупроводниковые диоды имеют в качестве основного структурного элемента, определяющего их свойства и возможности, электронно-дырочный переход. Так, несимметричность вольт-амперной характеристики электронно-дырочного перехода используют в выпрямительных, высокочастотных и импульсных диодах, барьерную емкость перехода - в варикапах и варакторах, явление пробоя перехода - в стабилитронах и т. д. Однако ряд подобных эффектов, например несимметрия вольт-амперной характеристики и наличие барьерной емкости, присущ также переходам «металл - полупроводник», выполненным с учетом определенных требований. В то же время такие металлополупроводниковые переходы обладают полезными отличительными свойствами. По этой причине в последние годы ведется разработка диодов, у которых основным структурным элементом, определяющим функциональные свойства прибора, является m-р- или m-n-переход (буквой m обозначен металл, буквами р и n - соответственно полупроводник р-типа и n-типа).

При изучении явлений в электронно-дырочных переходах (см. 1.4) приходилось сталкиваться с переходами m-р- и m-n-типов, обладающими электрическим сопротивлением, величина которого не зависит от направления тока (омические переходы). Для получения подобных переходов металл, наносимый в качестве электрода на поверхность электронного полупроводника, должен иметь, как указывалось, работу выхода, меньшую работы выхода полупроводника (ецm<ецn); для электрода, наносимого на поверхность дырочного полупроводника, требуется металл с большей работой выхода (ецm>ецр).

В этом случае в полупроводнике на границе с металлом образуется обогащенный основными носителями заряда слой, обеспечивающий высокую проводимость перехода независимо от направления тока.

Если же взять для электрода металл с противоположным соотношением работ выхода (ецm>ецn или ецm< ецр), то на границе с электродом образуется обедненный основными носителями заряда слой полупроводника, обладающий несимметричной характеристикой, как у электронно-дырочного перехода. Подобные металлополупроводниковые переходы называют выпрямляющими.

Размещено на Allbest.ru