Вакуумные СВЧ приборы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство Образования Российской Федерации

Инженерно-технологическая академия

Южного федерального университета

Реферат

По курсу «Микроволновая электроника»

Вакуумные СВЧ приборы

Выполнила

студентка гр. Э-79:

Зубкова Д.С.

Проверил:

Червяков Г.Г.

Таганрог 2013



Оглавление

Введение

1. Диоды с накоплением заряда

2. Туннельный и обращенный диоды

3. Диод Шоттки

4. Лавинно-пролетный диод (ЛПД)

5. Диод Ганна

Литература



Введение

Полупроводниковые электронные приборы - электронные компоненты, изготовленные в основном из полупроводниковых материалов. К числу таких компонентов относятся транзисторы, интегральные схемы, оптоэлектронные приборы, сверхвысокочастотные (СВЧ) приборы и выпрямители. Полупроводниковые материалы.

Полупроводник - это материал, который проводит электричество лучше, чем такой диэлектрик, как каучук, но не так хорошо, как хороший проводник, например медь. В отличие от металлов, электропроводность полупроводников с повышением температуры возрастает. К наилучшим полупроводниковым материалам относятся кремний (Si) и германий (Ge); в числе других можно назвать соединения галлия (Ga), мышьяка (As), фосфора (P) и индия (In). Кремний находит широкое применение в транзисторах, выпрямителях и интегральных схемах. Арсенид галлия (GaAs) обычно используют в СВЧ и оптоэлектронных приборах, а также в интегральных схемах. Полупроводник представляет собой, по существу, диэлектрик, пока в него не введено малое и тщательно дозированное количество некоторого подходящего материала. Например, такой материал, как фосфор, делает кремний проводящим, добавляя в него избыточные электроны (т.е. действуя как "донор"). Кремний, легированный подобным образом, становится кремнием n-типа. Легирование таким материалом, как бор, превращает кремний в материал p-типа: бор (акцептор) отбирает у кремния часть электронов, создавая в нем "дырки", которые могут заполняться электронами расположенных поблизости атомов и повышать тем самым проводимость легируемого материала. (Потоки электронов в одном направлении и дырок в противоположном образуют ток.) Электроны и дырки, обеспечивающие таким образом проводимость, называются носителями заряда. p-n-Переходы.

Твердотельные электронные приборы представляют собой, как правило, многослойную структуру (сэндвич), одна часть которой выполнена из полупроводника p-типа, а другая - из полупроводника n-типа. Пограничная область между материалами p-типа и n-типа называется p-n-переходом. Переход образуется положительно заряженными атомами донорной примеси с n-стороны и отрицательно заряженными атомами акцепторной примеси с p-стороны. Электрическое поле, создаваемое этими ионами, предотвращает диффузию электронов в p-область и дырок в n-область. Если p-область p-n-перехода соединить с положительным выводом какого-либо источника напряжения (например, батареи), а n-область - с отрицательным выводом, то электроны и дырки смогут диффундировать через переход. В результате из p-области в направлении n-области потечет существенный ток. В таком случае говорят, что переход смещен в прямом направлении. При обратном смещении, когда описанные выше подсоединения имеют противоположную полярность, от области n-типа к области p-типа потечет лишь предельно малый обратный ток.

Диоды с p-n-переходом.

Диоды - это устройства, которые проводят электрический ток только в одном направлении. Следовательно, p-n-переходы идеально подходят для их использования в диодных выпрямителях, преобразующих переменный ток в постоянный. Когда напряжение обратного смещения на диоде с p-n-переходом увеличивается до критического значения, называемого напряжением пробоя, электрическое поле в области перехода создает электроны и дырки в результате соударений носителей заряда, обладающих высокой энергией, с атомами полупроводников. В ходе этого процесса, называемого ионизацией, образуется "лавина" новых носителей, вследствие чего обратный ток при напряжении пробоя существенно возрастает. Диодные выпрямители обычно работают при обратных напряжениях ниже напряжения пробоя. Однако резкое и значительное нарастание обратного тока, происходящее при достижении напряжения пробоя, можно использовать для стабилизации напряжения или для фиксации опорного уровня напряжения. Диоды, предназначенные для таких применений, называются полупроводниковыми стабилитронами. Емкость, зависящая от приложенного напряжения, соответствует обратно смещенному p-n-переходу. Такую управляемую напряжением емкость можно применять, например, в настраиваемых контурах. Диоды, в которых используются такие переходы, называют варикапами. Резкие p-n-переходы, имеющие очень малую толщину и сильно легированные с обеих сторон, находят применение в туннельных диодах, т.е. диодах, в которых электроны могут "туннелировать" сквозь переход.

Туннелирование - это квантово-механический процесс, позволяющий некоторым электронам проходить сквозь потенциальный барьер. Как при обратном, так и при прямом смещении туннельный диод пропускает ток при очень низком напряжении. Но при некотором критическом значении напряжения прямого смещения эффект туннелирования уменьшается, и, в конечном счете, преобладающим становится прямой ток от p-области к n-области. Ток, обусловленный туннелированием, продолжает уменьшаться, пока напряжение повышается от критического уровня до некоторого более высокого значения. В этом диапазоне напряжений, где происходит уменьшение туннелирования, возникает отрицательное сопротивление, которое можно использовать в различных типах переключателей, автогенераторов, усилителей и других электронных устройств. p-n-Переход может также находить применение в качестве фотодиода или солнечного элемента (фотоэлектрического перехода). Когда свет, который состоит из фотонов, освещает p-n-переход, атомы полупроводника поглощают фотоны, в результате чего образуются дополнительные пары электронов и дырок. Поскольку эти дополнительные носители собираются в области перехода, от n-области в p-область течет избыточный ток. Величина этого обратного тока пропорциональна скорости, с которой генерируются дополнительные носители, а эта скорость, в свою очередь, зависит от интенсивности падающего света. В фотодиодах этот обратный ток при фиксированном напряжении обратного смещения зависит от интенсивности освещения. Поэтому фотодиоды часто используют в фотометрах и системах распознавания символов. Полученную от p-n-перехода энергию солнечные элементы передают в подключенную к ним внешнюю нагрузку. Солнечные элементы, преобразующие солнечный свет в электричество, находят широкое применение в качестве источников электропитания для искусственных спутников Земли и в некоторых применениях на Земле. Во многих полупроводниковых материалах, таких, как арсенид галлия (GaAs), фосфид галлия (GaP) и фосфид индия (InP), электроны и дырки рекомбинируют друг с другом в области p-n-перехода, смещенного в прямом направлении, излучая свет. Длина волны излучения зависит от используемого материала; обычно спектр излучения находится в пределах от инфракрасного (как в случае GaAs) до зеленого (как для GaP) участков. При надлежащем выборе материалов можно изготовить такие светоизлучающие диоды (СИД), которые будут давать излучение практически любого цвета (длины волны). Такие светодиоды применяют в цифровых наручных часах и в индикаторах электронных калькуляторов. Инфракрасные светодиоды могут использоваться в оптических системах связи, в которых световые сигналы, посылаемые по волоконно-оптическим кабелям, детектируются фотодиодами. Оптоэлектронные системы такого рода могут быть весьма эффективными, если используются светодиоды лазерного типа, а фотоприемники работают в лавинном режиме с обратным смещением.



1. Диоды с накоплением заряда

полупроводниковый электронный диод

Распределение концентрации примесей в диодах с накопление заряда показано на рис.1 а. Переход создается в результате диффузии акцепторной примеси в полупроводник n-типа с равномерной концентрацией донорной примеси Nд. Концентрация акцепторов Na убывает по экспоненциальному закону и p-n-переход образуется вблизи сечения х0, где Nа=Nд. Концентрация дырок в р-области (рис. 1 б) определяется разностью Na -- Nд, а электронов в n-области -- разностью Nд--Na. Появление градиентов дырок и электронов вызовет диффузию. В n-области электроны (основные носители) начнут перемещаться из мест с большей концентрацией в места с меньшей концентрацией и вызовут нарушение электрической нейтральности. В правой части n-области, откуда ушли электроны, проявится положительный заряд донорных ионов, а в левой части -- отрицательный заряд пришедших сюда электронов. Таким образом, в n-области возникает электрическое поле Еn (см. рис.1б). Это поле вызовет в n-области дрейфовый ток электронов, направление которого противоположно диффузионному току. Когда дрейфовый ток станет равен диффузионному, наступает состояние равновесия, характеризуемое определенным значением напряженности электрического поля Еп в n-области. Такие же процессы происходят в р-области, в которой появится поле с напряженностью Ер. При подаче на диод прямого напряжения происходит инжекция дырок в n-область и электронов в p-область. Однако в ДНЗ электрическое поле Еп препятствует диффузии инжектированных дырок вглубь n-области, поэтому они концентрируются (накапливаются) вблизи перехода. Аналогично инжектированные электроны накапливаются в р-области вблизи границы перехода. В отличие от диодов с равномерным распределением акцепторов и доноров, в ДНЗ инжектированные электроны и дырки оказываются «сгруппированными» около границ перехода.



а)
б)

Рис. 1 Распределение концентрации:

а) примесей; б) дырок в р-области

При скачкообразном изменении напряжения с прямого на обратное в момент t=0 на рис. 2 концентрация ранее инжектированных неосновных носителей на границах перехода должна уменьшиться. Появление градиента концентрации носителей вызовет диффузионное движение этих носителей, которые потом перейдут в другую область, так как электрическое поле в переходе является для неосновных носителей областей р-n-перехода ускоряющим. Появляется большой обратный ток перехода, который ограничивается сопротивлением цепи (горизонтальный участок на рис. 2). Для ДНЗ характерно то, что импульс обратного тока резко обрывается в некоторый момент времени t1, когда хорошо «сгруппированные» около границ перехода неосновные носители заканчивают прохождение перехода. При надлежащем выборе закона распределения примесей в ДНЗ интервал времени от t1 до t2,при котором обратный ток достигнет значения 1,2I0 (I0 -- обратный ток в статическом режиме), может составлять сотни или десятки пикосекунд. Поэтому ДНЗ называют также диодами с резким восстановлением обратного тока или обратного сопротивления.



Рис. 2. Переходная характеристика диода с накоплением заряда

При воздействии на ДНЗ синусоидального напряжения, вызывающего как прямой, так и обратный токи, форма импульсов обратного тока оказывается резко несинусоидальной. Несинусоидальная форма обратного тока обусловливает появление гармонических составляющих высокого порядка с большой амплитудой и возможность эффективного умножения частоты, т. е. спектр периодических импульсов тока содержит много гармоник, поэтому ДНЗ применяются вместо других типов диодов в схемах умножения частоты и позволяют получить бульший коэффициент умножения. Пример параметров схемы умножения на ДНЗ: частота входного сигнала 2 ГГц, выходного -- 10 ГГц, входная мощность 2 Вт, выходная -- 0,15 Вт. На более низких частотах можно получить бульшую выходную мощность.

Основными требованиями, предъявляемые к диодам с накоплением заряда является малая емкость перехода и минимальное сопротивление базы, для чего площадь перехода и толщину базы выполняют малыми. В диодах с накоплением заряда tр должно быть достаточно велико, чтобы «удержать» накопленный заряд. Для уменьшения площади перехода до 10-5 см2 в случае работы в наносекундном диапазоне используют меза - или планарно-эпитаксиальную технологию. Следует указать, что эффект резкого восстановления обратного сопротивления в той или иной степени присущ любому полупроводниковому диоду с диффузионным р-n-переходом.

Технологические особенности изготовления диодов СВЧ диапазона

Характерной особенностью p-n-переходов диодов и транзисторов СВЧ-диапазона является их малая емкость, что достигается уменьшением площади перехода. Конструкция приборов на основе р-n-переходов и технология их изготовления должны обеспечивать точное и воспроизводимое выполнение как поперечных размеров перехода, так и толщины слоев полупроводниковых материалов, а также требуемый уровень и профиль легирования.

Первые СВЧ-диоды были изготовлены точечно-контактным методом. Для этого к предварительно отполированной и протравленной пластине Si или Ge прижималась игла из вольфрама или фосфористой бронзы (часто в виде пружины) с диаметром острия от нескольких микрометров до 20 -- 30 мкм. При электроформовке, заключающейся в разогреве области контакта при пропускании мощных коротких импульсов тока, образовывался контакт типа барьера Шоттки.

Диффузионный метод создания переходов основан на диффузии в полупроводник примеси, находящейся в газообразной, жидкой или твердой фазе (рис. 3). В зависимости от глубины залегания перехода х0 он может быть плавным или резким. При малой толщине р-области переход можно считать резким со ступенчатым изменением концентрации примеси.

Рис. 3. Формирование диффузионного p-n-перехода (а) и распределение примесей в переходе (б)



Для уменьшения последовательного сопротивления объема полупроводника при изготовлении переходов часто используют эпитаксиальные слои. Метод эпитаксиального наращивания позволяет получать пленки полупроводникового материала с требуемой концентрацией примеси на поверхности исходного монокристалла (подложки). Структура кристаллической решетки эпитаксиального слоя при этом идентична структуре подложки. Для получения эпитаксиального слоя на поверхности монокристалла разлагают химические соединения полупроводникового материала с примесью веществ, необходимых для легирования слоя. Можно получать эпитаксиальные слои как с тем же типом элект-ропроводности, что и исходный материал подложки, но с другим удельным сопротивлением, так и с противоположным типом электропроводности. В первом случае, например, на поверхности сильнолегированной низкоомной подложки формируют слаболегированный высокоомный слой нужной толщины. Во втором -- эпитаксиальный р-n-переход.

Ро конструкции переходы делятся на планарные и мезаструктуры. На рис. 4 приведена схема технологического процесса изготовления планарного перехода на эпитаксиальной подложке. Исходная подложка с нанесенным на нее эпитаксиальным слоем (рис. 4 а) имеет толщину порядка долей миллиметра, толщина высокоомной пленки Iэп, являющейся базой перехода, может составлять от долей до нескольких десятков микрометров. Малые площади переходов получают за счет использования прецизионной фотолитографии. Для этого эпитаксиальную пленку окисляют, в результате чего на ее поверхности образуется слой двуокиси кремния толщиной порядка 1 мкм. Далее наносят слой фоточувствительного материала -- фоторезиста (ФР) (рис.4 б). При освещении фоторезиста ультрафиолетовым светом через маску (фотошаблон) экспонированные участки полимеризуются. После растворения неэкспонированных участков фоторезиста в пленке окисла протравливают окна заданной конфигурации и размеров (рис.4 в). Диаметр окна (или его ширина) при изготовлении приборов СВЧ равен обычно нескольким микрометрам -- десятым долям миллиметра. Через полученные окна проводят локальную диффузию акцепторной примеси, например бора, для формирования р-области в эпитаксиальном слое n-Si (рис.4 г). При малых размерах окна следует учитывать, что примесь проникает не только в глубь подложки, но и под края окон, образуя краевые области, имеющие обычно сферическую или цилиндрическую форму.

Эпитаксиальная технология позволяет получать переходы с малой толщиной базы. Отметим, что при малой толщине высокоомного эпитаксиального слоя Iэп область, обедненная основными носителями, может перекрыть весь эпитаксиальный слой и достигнуть сильнолегированной подложки (эффект смыкания).

Рис. 4. Схема технологического процесса изготовления диффузионного планарного р-n-перехода на эпитаксиальной подложке

Важное место в изготовлении приборов занимают процессы формирования невыпрямляющих (омических) контактов (ОК на рис. 4 г), служащих выводами прибора. Такие контакты должны иметь малое сопротивление, не зависящее от полярности приложенного напряжения. Омические контакты выполняются чаще всего в виде соединения металла с сильнолегированным полупроводником. В простейшем случае сильнолегированный слой полупроводника образуется при сплавлении металла с полупроводником (при этом металл является донором или акцептором). Омические контакты могут быть многослойными, т. е. состоять из различных металлов. Например, омические контакты в приборах из GaAs получают, напыляя вольфрам и никель с последующим осаждением золота.

На одной исходной подложке обычно получают несколько десятков и даже сотен переходов. При производстве многослойных приборов, например транзисторов, процессы фотолитографии и локальной диффузии повторяют несколько раз.

Планарную технологию применяют также при создании приборов из Ge и GaAs. Пленку SiO2 в этом случае осаждают на поверхности полупроводника при термическом разложении кремнийорганических соединений.

Устройство диода с мезаструктурой показано на рис. 5 На подложке полупроводника n-типа формируют область p-типа и омические контакты (рис. 5 а). Затем верхний контакт защищают фоторезистом и через маску формируют вывод р-области требуемого диаметра. После вытравливания металла и полупроводника остается участок диаметром а и высотой А, возвышающийся над подложкой в виде столбика (рис.5 б). Подложка может быть выполнена по эпитаксиальной технологии, что позволяет изготовлять переходы с толщиной базы, составляющей единицы микрометров. Диаметр мезаструктуры а (рис.5 б) определяется емкостью перехода и составляет обычно десятки -- сотни микрометров; высота зависит от назначения прибора и, как правило, равна единицам -- десяткам микрометров. Боковая поверхность мезаструктуры может быть защищена слоем SiO2 для уменьшения токов утечки и увеличения пробивного напряжения.

В последние годы для создания переходов с малой толщиной полупроводниковых слоев применяют метод ионного легирования (ионной имплантации), при котором поверхность полупроводника бомбардируют пучком ионов (акцепторов или доноров), сфокусированных и ускоренных до высоких энергий. Глубина проникновения ионов определяется их энергией, а степень легирования -- продолжительностью облучения мишени. При энергия частиц 100 кэВ глубина имплантированного слоя обычно около 1 мкм.



Рис. 5. Эпитаксиальная мезаструктура:

а) исходная пластина с p-n-переходом и омическими контактами; б) устройство диода

Приборы с выпрямляющим контактом типа барьера Шоттки могут иметь планарную конструкцию (рис. 6) или выполняться в виде мезаструктуры. При их создании используется полупроводниковый материал с одним типом электропроводности, поэтому в технологическом процессе отсутствуют операции диффузии (или ионного легирования). Основным методом получения выпрямляющего контакта является вакуумное напыление металлических слоев на монокристалл полупроводника. Большое значение для получения качественного контакта с барьером Шоттки имеют состояние поверхности полупроводника и выбор материала металлического электрода. Металлическую пленку обычно напыляют на полупроводник, после чего ее толщину увеличивают электролитическим осаждением или повторным напылением. Контакты чаще всего бывают многослойными и состоят из различных металлов. Металл для внешнего покрытия выбирают с учетом последующих паек при монтаже прибора.



Рис. 6. Структура диода с барьером Шоттки, изготовленного методами планарной технологии

Уменьшить сопротивление объема полупроводника и улучшить отвод теплоты от перехода в планарных и мезаструктурах можно путем уменьшения толщины полупроводниковой подложки и замены ее материалом с большей теплопроводностью, например медью или золотом. Конструкции таких структур, называемых приборами с интегральным теплоотводом, показаны на рис. 7 Толщина полупроводниковой структуры lстр может быть доведена до 10 -- 20 мкм. Толщина медной подложки lм обычно составляет несколько десятков -- сотни микрометров.

Рис. 7. Планарная (а) и мезаструктура (б) с интегральным теплоотводом; в, г, д -- последовательности технологических операций при изготовлении структуры

При изготовлении таких структур на исходной (например, из низкоомного полупроводника n+-типа) подложке толщиной lп0 эпитаксиальным наращиванием получают пленку n-материала толщиной lэп, а затем полупроводника p+-типа с образованием р+-n-перехода (рис.7 в). После выполнения на p+-материале омического контакта на структуре с этой же стороны гальваническим методом осаждают слой меди большой толщины (рис.7г). С противоположной стороны шлифовкой и селективным травлением уменьшают толщину исходной подложки до lп так, что толщина всей полупроводниковой структуры становится небольшой (рис. 7 д). Далее методом фотолитографии формируют мезаструктуру (рис. 7 б), При монтаже структуры в корпус медное основание припаивают к массивному держателю, поэтому такие переходы могут рассеивать мощность в десятки ватт.

2. Туннельный и обращенный диоды

Туннельным диодом называют полупроводниковый диод на основе p⁺-n⁺ перехода с сильнолегированными областями, на прямом участке вольт-амперной характеристики которого наблюдается n-образная зависимость тока от напряжения. На рисунке 8 приведена вольт-амперная характеристика типичного туннельного диода при прямом смещении.

Проанализируем особенности вольт-амперной характеристики туннельного диода. Для этого рассмотрим p⁺-n⁺ переход, образованный двумя вырожденными полупроводниками.

Если концентрация доноров и акцепторов в эмиттере и базе диода будет N_A, N_D ~ 10²⁰ см^-3, то концентрация основных носителей будет много больше эффективной плотности состояний в разрешенных зонах p_p0, n_n0 >> N_C, N_V. В этом случае уровень Ферми будет находиться в разрешенных зонах p⁺ и n⁺ полупроводников.



Рис. 8. Туннельный диод 1И104 [25, 23]: а) вольт-амперная характеристика при прямом смещении; б) конструкция туннельного диода

В полупроводнике n⁺ типа все состояния в зоне проводимости вплоть до уровня Ферми заняты электронами, а в полупроводнике p⁺-типа - дырками. Зонная диаграмма p⁺-n⁺ перехода, образованного двумя вырожденными полупроводниками, приведена на рисунке 9.

Рис. 9. Зонная диаграмма p⁺-n⁺ перехода в равновесии



С позиции анализа токов для диффузионного тока (прямого) имеет место большая высота потенциального барьера. Чтобы получить типичные значения прямого тока, нужно приложить большое прямое напряжение (больше или примерно равное половине ширины запрещенной зоны E_g/2). В выражении для дрейфового тока (обратного) концентрация неосновных носителей p_n0 = n_i²/N_D мала и поэтому обратный ток тоже будет мал.

Рассчитаем, чему равна геометрическая ширина вырожденного p-n перехода. Будем считать, что при этом сохраняется несимметричность p-n перехода (p⁺ - более сильнолегированная область). Тогда ширина p⁺-n⁺ перехода мала:

Дебройлевскую длину волны электрона оценим из простых соотношений:

Таким образом, геометрическая ширина p⁺-n⁺ перехода оказывается сравнима с дебройлевской длиной волны электрона. В этом случае в вырожденном p⁺-n⁺ переходе можно ожидать проявления квантово-механических эффектов, одним из которых является туннелирование через потенциальный барьер. При узком барьере вероятность туннельного просачивания через барьер отлична от нуля.

Рассмотрим более подробно туннельные переходы в вырожденных p⁺-n⁺ переходах при различных напряжениях. На рисунке 10 показана зонная диаграмма туннельного диода при обратном смещении.

Рис. 10. Зонная диаграмма туннельного диода при обратном смещении

При обратном напряжении ток в диоде обусловлен туннельным переходом электронов из валентной зоны на свободные места в зоне проводимости. Поскольку концентрация электронов и число мест велики, то туннельный ток резко возрастает с ростом обратного напряжения. Такое поведение вольт-амперных характеристик резко отличает туннельный диод от обычного выпрямительного диода.

При прямом напряжении ток в диоде обусловлен туннельным переходом электронов из зоны проводимости на свободные места в валентной зоне. Поскольку туннельные переходы происходят без рассеяния, то есть с сохранением энергии туннелирующей частицы, то на зонной диаграмме эти процессы будут отражены прямыми горизонтальными линиями. На рисунке 11 показаны зонные диаграммы туннельного диода при прямом смещении, соответствующие трем точкам на прямом участке вольт-амперной характеристики.



Рис. 11. Зонные диаграммы туннельного диода при прямом смещении:
а) участок 1; б) участок 2; в) участок 3

На участке 1 при небольшом прямом напряжении напротив электронов зоны проводимости начинают появляться свободные места в валентной зоне при той же самой энергии. По мере роста напряжения число свободных мест возрастает и ток растет с ростом напряжения. Туннельный ток достигает максимума, когда все свободные места в валентной зоне оказываются по энергии напротив энергетических уровней, занятых электронами в зоне проводимости (участок 2). Затем, по мере роста прямого напряжения, число этих свободных мест начинает уменьшаться, поскольку по энергии напротив уровней, занятых электронами в зоне проводимости оказываются состояния в запрещенной зоне (энергетические уровни в идеальных полупроводниках в запрещенной зоне отсутствуют). На участке 3 туннельный ток уменьшается с ростом напряжения и превращается в ноль, когда запрещенная зона p⁺ полупроводника будет находиться по энергии напротив уровней, занятых электронами в зоне проводимости.

При дальнейшем росте прямого напряжения появляется компонента обычного диффузионного тока p-n перехода.

Участок 3 на рисунке 11 - это участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Рассмотрим более подробно вольт-амперную характеристику туннельного диода.

Решение уравнения (рис. 12) для случая прямого смещения имеет следующий вид:

(1)

где е₁ и е₂ - расстояние от энергии Ферми до дна зоны проводимости или вершины валентной зоны.

Рис. 12. Температурные зависимости прямого тока от напряжения в туннельных диодах: а) германиевый диод 1И403; б) арсенидгаллиевый диод 3И202

Расчет вольт-амперных характеристик туннельного диода по уравнению (1) дает хорошее согласие с экспериментом. На рисунке 12ьприведены температурные зависимости прямого тока от напряжения в туннельных диодах, изготовленных из германия и арсенида галлия. Видно, что у диода с более широкозонным материалом GaAs, чем Ge, минимум тока наблюдается при больших значениях прямого напряжения.

Отметим, что туннельный диод имеет высокие значения максимальной граничной частоты f_max ~ 10⁹Гц, поскольку времена процессов при туннелировании составляют наносекунды, то есть ф_min ~ 10^-9c. По этой причине туннельные диоды используются в СВЧ-технике.

Рассмотрим вольт-амперные характеристики p-n перехода в особом случае, когда энергия Ферми в электронном и дырочном полупроводниках совпадает или находится на расстоянии + kT/q от дна зоны проводимости или вершины валентной зоны. В этом случае вольт амперные характеристики такого диода при обратном смещении будут точно такие же, как и у туннельного диода, то есть при росте обратного напряжения будет быстрый рост обратного тока. Что касается тока при прямом смещении, то туннельная компонента ВАХ будет полностью отсутствовать в связи с тем, что нет полностью заполненных состояний в зоне проводимости. Поэтому при прямом смещении в таких диодах до напряжений, больше или равных половине ширины запрещенной зоны, ток будет отсутствовать. С точки зрения выпрямительного диода вольт-амперная характеристика такого диода будет инверсной, то есть будет высокая проводимость при обратном смещении и малая при прямом. В связи с этим такого вида туннельные диоды получили название обращенных диодов. На рисунке 13 приведена вольт-амперная характеристика обращенного диода.

Рис.13. Вольт-амперная характеристика германиевого обращенного диода ГИ403: а) полная ВАХ; б) обратный участок ВАХ при разных температурах



Таким образом, обращенный диод - это туннельный диод без участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Высокая нелинейность вольт-амперной характеристики при малых напряжениях вблизи нуля (порядка микровольт) позволяет использовать этот диод для детектирования слабых сигналов в СВЧ-диапазоне.

Различные конструкции туннельных диодов представлены схематически на рис. 14

а)	б)
в)

Рис. 14 Конструкции туннельных диодов:

а) патронного типа; б) таблеточного типа: в) с ленточными выводами;

1-- полупроводниковый кристалл; 2 -- p-n-переход; 3 -- соединительный электрод; 4-- корпус; 5, 6--выводы; 7--втулка корпуса; 8 -- крышка



3. Диод Шоттки

Физические исследования контакта металл -- полупроводник стимулировались прогрессом в области точечно-контактных полупроводниковых выпрямителей. В предвоенные годы немецкий ученый Шоттки получил основные математические соотношения, описывающие электрические характеристики этого контакта, вследствие чего подобную структуру стали называть барьером Шоттки. Однако многие замечательные свойства, предсказываемые теорией для барьера Шоттки, практически наблюдать не удалось из-за очень резкого отличия точечных диодов от идеализированной модели (значительные механические напряжения в приконтактной области, наличие промежуточных окисных слоев, мультиконтактность и т. п.). Этим, а также большими успехами приборов с p-n-переходами и объясняется тот ограниченный интерес в отношении исследований контакта металл -- полупроводник и создания приборов на его основе.



а)
б)
в)
г)
д)

Рис. 15. Схема контакта металл -- полупроводник (а) и его энергетическая диаграмма при нулевом (б), прямом (г) и обратном (д) смещении

Лишь в последние годы в связи с небывалыми успехами полупроводниковой технологии стало возможным получение структур, близких к идеальному барьеру Шоттки, и практическое конструирование на этой основе различных приборов. Это обусловливает тот огромный интерес, который проявляют к барьеру Шоттки специалисты в области физики, технологии и применения полупроводниковых приборов.

Рассмотрим особенности работы диода с барьером Шоттки на основе контакта металла с полупроводником n-типа для случая, когда работа выхода металла ц0м больше, чем работа выхода ц0п полупроводника (рис. 15 а). При образовании контакта электроны переходят из материала с меньшей работой выхода в материал с большей работой выхода, в результате чего уровни Ферми металла и полупроводника выравниваются. При этом полупроводник оказывается заряженным положительно, а возникающее внутреннее электрическое поле препятствует переходу электронов в металл. Между металлом и полупроводником возникает контактная разность потенциалов Uк = ц0м -- ц0п.

Благодаря разности работ выхода металла и полупроводника между ними происходит обмен электронами. Электроны из полупроводника, имеющего меньшую работу выхода, переходят в металл с большей работой выхода. В равновесном состоянии (рис. 15 а) металл заряжается отрицательно, в результате чего возникает электрическое поле, прекращающее однородный переход электронов.

Из-за резкого различия концентраций свободных электронов по обе стороны от контакта практически все падение напряжения приходится на приконтактную область полупроводника. Приложенное внешнее напряжение изменяет высоту барьера лишь со стороны полупроводника. Электроны зоны проводимости отталкиваются возникшим контактным нолем. Создается обедненный слой с пониженной концентрацией подвижных носителей. Около контакта вследствие изгиба границ зон полупроводник n-типа переходит в полупроводник p-типа.

Распределение электрического поля (рис. 15 в) и объемного заряда в этом случае описывается теми же уравнениями, что и для резкого p-n-перехода. В полупроводнике возникает область, обедненная основными носителями заряда с пониженной проводимостью, ширина которой lп зависит от уровня легирования полупроводника. В состоянии равновесия поток электронов (основных носителей полупроводника) в металл уравновешивается потоком электронов из металла в полупроводник.

При прямом смещении (рис. 15 г) потенциальный барьер со стороны полупроводника понижается и число переходов электронов в металл увеличивается. При обратном смещении (рис. 15 д), напротив, ток из полупроводника уменьшается, стремясь с ростом напряжения к нулю. Ток электронов из металла все время остается неизменным: роль его незначительна при прохождении прямого тока, им же обусловлен ток утечки при обратном смещении. Величина этого обратного тока в приборах с барьером Шоттки порядка единиц микроампер.

В реальных контактах линейная зависимость высоты барьера от работы выхода металла наблюдается редко ввиду того, что на поверхности полупроводника из-за ее неидеальности имеются поверхностные заряды. При нанесении металла такой поверхностный заряд экранирует влияние металла, вследствие чего высота потенциального барьера в основном определяется состоянием поверхности полупроводника. Кроме того, на свойства контакта металл -- полупроводник влияют токи утечки, токи генерации -- рекомбинации носителей заряда в обедненной области и возможность туннельного перехода электронов в случае сильнолегированного полупроводника. В целом вольт-амперная характеристика контакта с барьером Шоттки в широких пределах изменения тока соответствует характеристике типа:

(2)

где a -- коэффициент «неидеальности». При обратном смещении ток через контакт обычно увеличивается с ростом напряжения. Особенностью выпрямляющих контактов металл -- полупроводник, отличающих их от p-n-переходов, является отсутствие инжекции неосновных носителей в полупроводник при прямых напряжениях.

Таким образом, в диоде Шоттки отсутствуют накопление неосновных носителей заряда в областях диода при прямом напряжении и рассасывание этого заряда при изменении знака напряжения. Это улучшает быстродействие диода, т. е. частотные и импульсные свойства. Время восстановления обратного сопротивления с диодом Шоттки при использовании кремния и золота -- примерно 10 нс и меньше.

Достоинством диода Шоттки при современном уровне технологии является также то, что его вольт-амперная характеристика оказывается очень близкой к характеристике идеализированного p-n-перехода. В формуле (2) коэффициент n близок к единице (a ?1,04), в то время как у обычных диодов a =1,5-2,5. Это означает, что прямая ветвь характеристики диода Шоттки идет круче, чем у обычных диодов.

Шумы диода Шоттки определяются дробовым шумом и тепловым шумом последовательного сопротивления областей и контактов. Вследствие малого влияния неосновных носителей на процессы в диоде Шоттки вклад генерационно-рекомбинационных шумов в дробовый шум оказывается незначительным. Кроме того, уменьшается последовательное сопротивление областей диода, так как одна из областей является металлом. Поэтому уровень шумов диода Шоттки оказывается меньше, чем в аналогичных по применению точечных диодах на p-n-переходах.

Применяются диоды Шоттки в качестве детекторных и смесительных диодов вплоть до миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов волн. Изготавливаются они из арсенида галлия. Для уменьшения емкости диаметр контакта уменьшается до 1 мкм и менее. Смесители на диодах Шоттки используются до 300 ГГц. На частоте 170 ГГц коэффициент шума диода Шоттки Кш = 4,8-5,5 дБ, а охлаждение до 20 К снижает его примерно вдвое.

Диоды с барьером Шоттки могут быть использованы для умножения и преобразования частот. Умножение может быть основано как на нелинейной зависимости сопротивления диода от напряжения (нелинейное сопротивление), так и на нелинейной зависимости емкости от напряжения (нелинейная емкость). Эффективность умножения при использовании диода Шоттки на основе арсенида галлия примерно в 3 раза выше, чем у кремниевых диодов с прижимным контактом при одинаковых с ним входной частоте (3 -- 4 ГГц) и кратности умножения (три). Особенно существенны преимущества диода Шоттки при преобразовании слабых сигналов. Эти диоды используются также и как быстродействующие переключательные диоды.

Варианты разновидностей диодов Шоттки приведены на рис. 16.

а)	б)
в)	г)

Рис.16. Разновидности выпрямляющих структур диодов Шоттки:

а) меза-диод; б) планарный диод; в) мультиконтактная структура;

г) планарный диод с балочным выводом

Диоды с барьером Шоттки широко используются в качестве детекторных и смесительных СВЧ диодов, вытесняя традиционные точечные диоды. При этом наилучшее сочетание параметров удается достигнуть при использовании арсенида галлия - материала, характеризующегося большей подвижностью основных носителей заряда по сравнению с кремнием. На рис. 17. показана структура СВЧ-диода Шоттки из арсенида галлия. Диоды Шоттки позволяют значительно уменьшить коэффициент шума. В них использован выпрямляющий контакт между полупроводником и металлом, в котором ток переносится основными носителями. Эти диоды обладают наименьшей способностью накопления неравновесных носителей заряда. Серийные образцы диодов Шоттки на частоте 50 ГГц, имеют уровень шумов и потерь менее 5 и 3,5 dB соответственно. Кроме того диоды Шоттки значительно более стойки к выгоранию, чем точечные приборы.

Успехи гибридной технологии (сочетание барьера Шоттки с p-n переходом ) позволили создавать мощные высокочастотные выпрямители, которые широко применяются в малогабаритных и интегральных “бестрансформаторных” источниках питания и солнечных батареях.

Предельная частота СВЧ-диодов Шоттки доведена до 500 ГГц.

Рис. 17. СВЧ-диод с переходом Шоттки на арсениде галлия:

1-- SiO2; 2 --омический контакт; 3 -- полосковая линия из золота; 4 -- n+GaAs; 5 -- nGaAs; 6 --контакт перехода Шоттки

Подытоживая сказанное выше, перечислим основные преимущества барьера Шоттки по сравнению с р-п переходом:

1. Относительная простота варьирования высоты потенциального барьера без изменения свойств полупроводника за счет выбора соответствующего металла.

2. Высокая крутизна вольт-амперной характеристики (a?1, тогда как для p-n переходов на кремнии типично a?1,5), обусловливающая лучшие детектирующие свойства.

3. Малая инерционность как в детекторном режиме, так и в режиме переключения (на 1--2 порядка меньше, чем у самых «быстрых» легированных золотом кремниевых диодов с p-n переходом).

4. Малый уровень шумов (справедливо вплоть до f ?•1012 Гц, тогда как в случае p-n перехода частотная зависимость дробового шума определяется механизмом диффузии и рекомбинации неосновных носителей заряда).

5. Принципиальная возможность получения меньших (по сравнению с приборами с p-n переходами) значений последовательного электрического сопротивления и теплового сопротивления, так как металлический слой по этим свойствам превосходит любой сильно легированный слой полупроводника.

6. Резкое различие оптических свойств металла и полупроводника (значительно более резкое, чем в случае полупроводников n- и p-типов проводимости), позволяющее создавать ряд оригинальных фотоэлектрических приборов.

7. Технологическая простота, сочетающаяся с широтой возможностей (изготовление в однотипных процессах различных -- выпрямляющих и омических -- контактов).

8. Принципиальная совместимость методов изготовления контактов металл -- полупроводник с технологией интегральных схем.

4. Лавинно-пролетный диод (ЛПД)

Лавинно-пролетный диод (ЛПД)-- это полупроводниковый СВЧ-диод, в котором для получения носителей заряда используется лавинное умножение (ударная ионизация) в области электрического перехода и взаимодействие этих носителей с переменным полем в переходе в течение времени пролета. Лавинно-пролетные диоды относятся к классу двухполюсников, обладающих отрицательным сопротивлением на зажимах, что позволяет использовать ЛПД для создания генераторов и усилителей. Отрицательное сопротивление ЛПД проявляется только на достаточно высоких частотах и не проявляется в статическом режиме. Причиной этого является наличие фазового сдвига между током и напряжением на ЛПД.

Рис. 18. Схема ЛПД и распределение напряженности электрического поля: D -- ширина запирающего слоя; d-- ширина слоя умножения

В иностранной литературе такие диоды часто называют диодами Рида по фамилии ученого, предложившего в 1958 г. структуру типа р--п--i--р и принципы работы устройства, однако эта структура была реализована только в 1965 г. Первый ЛПД создан в СССР А. С. Тагером с сотрудниками на основе обнаруженного в 1959 г. эффекта генерации СВЧ-колебаний при лавинном пробое германиевых диодов.

На рис. 18 показана схема плавного p-n-перехода ЛПД и распределение электрического поля в переходе. На диод подается обратное напряжение такой величины, что рабочая точка смещается в область лавинного умножения (рис. 19). В p-n-переходе начинается процесс ударной ионизации атомов кристаллической решетки подвижными носителями заряда и образование новых пар электронов и дырок. С этим явлением связан резкий рост обратного тока перехода, называемый лавинным пробоем. Для количественной характеристики процесса ударной ионизации вводят коэффициенты ионизации бn и бp для электронов и дырок -- число электронно-дырочных пар, создаваемых на единице пути (1 см) электроном и дыркой соответственно.

Лавинный пробой возникает, в результате ударной ионизации нейтральных атомов в р-n-переходе быстрыми электронами или дырками. В результате генерируются новые пары носителей заряда, которые, двигаясь в электрическом поле перехода, вновь при столкновении с атомами образуют новые пары носителей и т. д., т. е. носители в переходе лавинообразно размножаются. Параметром этого процесса является коэффициент умножения М, определяемый как отношение числа носителей, выходящих из p-n-перехода, к числу носителей того же типа, входящих в переход. Коэффициент М можно рассчитать по следующей эмпирической формуле:

(3)

где Uпр - напряжение пробоя.

Показатель степени для кремния и германия n-типа b = 3; для германия p-типа b=5,5. Величина пробивного напряжения не зависит от типа носителей и растет с увеличением удельного сопротивления полупроводника; у кремния это напряжение выше, чем у германия при тех же значениях удельного сопротивления.

Принято считать, что лавинный пробой наступает при таком обратном напряжении на переходе, когда коэффициент лавинного умножения обращается в бесконечность. Если начало лавинного умножения вызвано дырками (IP0>>In0), то условие лавинного пробоя будет выглядеть следующим образом:

(4)

Условие (4) имеет простой физический смысл; для возникновения лавинного пробоя необходимо, чтобы каждый электрон и каждая дырка, вошедшие в переход и возникающие в переходе, создавали в среднем до одной электронно-дырочной паре. Если бп№бр, то носители, имеющие больший коэффициент ионизации, должны создавать при прохождении перехода в среднем более одной пары, чтобы скомпенсировать уменьшение коэффициента ионизации носителей другого типа.

Напряженность электрического поля максимальна на границе между р - и n-областями. Поэтому ударная ионизация происходит лишь в узком слое умножения д, прилежащем к плоскости границы. Вновь созданные электроны и дырки под действием сильного поля дрейфуют через p - и n - пролетные участки запирающего слоя, расположенные по обе стороны от слоя умножения. Дырки дрейфуют через p-слой, а электроны через n-слой. При возрастании электрического поля скорость носителей заряда растет линейно. Но уже при напряженности поля, вызывающей лавинное умножение носителей (Е >> 105 В/м), скорость носителей заряда становится практически постоянной.

Пролетное время носителей заряда пропорционально ширине области пролета D и это объясняет запаздывание лавинного тока от напряжения в ЛПД. Сдвиг фазы между изменением напряженности поля и изменением тока при определенной частоте составит р/2. Дрейфуя через пролетные участки, электроны и дырки частично компенсируют объемный заряд ионов примеси и снижают напряженность поля в слое умножения.

Параметры их характеристики, особенности устройства и применения ЛПД

Основными параметрами ЛПД являются:

а) выходная мощность Pвых--мощность генератора на ЛПД в заданном диапазоне частот и напряжения питания. Это важнейший параметр ЛПД. Максимальная полезная мощность генератора при заданном сопротивлении нагрузки зависит от добротности диода и от амплитуды переменного тока и напряжения. Максимальное значение выходной мощности различных типов ЛПД колеблется в пределах 10--100 мВт на частоте 7-50 ГГц;

б) пробивное напряжение Uпр -- величина напряжения лавинного пробоя перехода. Этот параметр необходим для задания режима работы. Величина напряжения лавинного пробоя ЛПД обычно не превышает 30 В. Но имеются приборы с Unp, достигающим 160 В. СВЧ-генератор на ЛПД обычно работает при напряжении на 0,5--1,5В, превышающем пробивное;

в) номинальный рабочий ток Iном--величина обратного тока ЛПД, при котором обеспечивается выходная мощность генератора. Величина Iном составляет 54-15 мА для различных классов приборов;

г) максимальная емкость p-n-перехода Сmах--максимальное значение емкости ЛПД при напряжении, близком к пробивному;

д) сопротивление растекания rs-- максимальное последовательное сопротивление ЛПД в режиме генерации при заданном токе и напряжении. Отечественные приборы имеют rs не более 10 Ом;

е) коэффициент полезного действия лавинно-пролетных диодов (сравнительно низок и составляет несколько процентов);

ж) температурный коэффициент мощности ТКМ и частоты ТКЧ -- параметры, показывающие изменения мощности и частоты при изменении температуры окружающей среды на 1°С;

з) максимально-допустимый ток Imax-- максимальная величина тока, при которой ЛПД работает в течение гарантированного срока с заданным уровнем надежности. Величина Imax обычно ограничивается максимальной температурой перехода Tп mах.

Для изготовления ЛПД используют кремний, германий и арсенид галлия. Требуемую структуру получают методами эпитаксиального наращивания, диффузии и ионного легирования. При их изготовлении стремятся по возможности снизить активные потери: утечку тока по поверхности p-n-перехода и сопротивление объема кристалла. Необходимо обеспечить однородность p-n-перехода, в противном случае возможно возникновение локальных пробоев и т. д.

На рис.20 приведена одна из структур ЛПД диода, изготовленного по планарной технологии. Для устранения пробоя по поверхности создано охранное кольцо n-типа.

Преимуществом ЛПД перед другими генераторами СВЧ-мощности является незначительная суммарная толщина структуры (один переход). Это очень важно, так как ЛПД работает в режиме лавинного пробоя и плотность мощности на переходе достигает больших величин до 105 Вт/см2. Тонкие структуры облегчают отвод тепла от перехода. Кроме того, для лучшего отвода тепла в ЛПД применяют так называемую обратную сборку, кристалл присоединяют к теплоотводу той стороной, где переход расположен на небольшой глубине от поверхности кристалла.

Мощность и КПД генераторов на ЛПД сравнительно невелики, зависят от рабочей частоты и от теплоотвода. Для улучшения теплоотвода в мощных ЛПД в качестве подложки используют алмаз.

ЛПД, работающие в пролетном режиме, используют также для усиления колебаний, однако из-за большого коэффициента шума (20--40 дБ) они не пригодны для входных устройств. Диод является активным двухполюсником, т. е. двухполюсником с отрицательным дифференциальным (динамическим) сопротивлением. Поэтому в усилителе применяется циркулятор, обеспечивающий разделение входного и выходного сигналов. Коэффициент усиления при каскадном включении достаточно велик (до 30 дБ и более).

Рис. 20. Структура кристалла ЛПД

Недостатком ЛПД является очень низкий КПД. Это объясняется тем, что амплитуда колебательного напряжения на диоде намного меньше величины постоянного напряжения, приложенного к диоду для обеспечения режима лавинного умножения. Низкий КПД ЛПД, кроме того, объясняется зависимостью вольт-амперной характеристики ЛПД от частоты колебаний. На частоте, на которой отрицательное сопротивление имеет наибольший модуль, амплитуда переменного напряжения значительна, но амплитуда тока мала. В результате получается, что отдаваемая мощность мала.

В настоящее время на частоте 1 ГГц получен КПД до 60% в Si-диодах и до 45% на частоте 2--3 ГГц в Ge-диодах. Однако большие плотности тока, требуемые для возникновения аномального режима, не позволяют осуществить непрерывную генерацию.

ЛПД с рабочей частотой выше 50 ГГц трудно изготовлять из-за очень малых размеров, а ЛПД с частотой ниже 1 ГГц имеют большие размеры, поэтому трудно отводить тепло от перехода.

На рис. 21 приведены два вида конструкций лавинно-пролетных диодов в коаксиальном исполнении. Для интегральных полосковых схем разрабатываются бескорпусные ЛПД с полосковыми выводами.

Рис. 21. Конструкция ЛПД: а -- германиевого; б -- кремниевого; 1-- металлическое основание; 2 -- керамическая втулка; 3-- кристалл; 4 -- соединительный электрод; 5--ниппель

В пролетном режиме ЛПД отрицательное сопротивление существует в широкой области рабочих частот. Поэтому частоту генерации в генераторах на ЛПД можно изменять в пределах более октавы механической перестройкой колебательной системы. Широко используют также электрическую перестройку частоты, включая в колебательную систему СВЧ варикап или ферритовые элементы. В первом случае диапазон перестройки обычно невелик, а во втором -- достигает 10%. Температурный коэффициент частоты генератора зависит от изменения как параметров диода, так и колебательной системы. Для одноконтурного генератора ТКЧ= ± 10-41/°C, но может быть снижен в результате принятия специальных мер.

Высокий уровень шума ЛПД позволяет использовать их для создания генераторов шума СВЧ диапазона. Эти генераторы очень просты, имеют большую спектральную плотность мощности шума, низкую потребляемую мощность, малые массу и габариты, т. е. выгодно отличаются от электровакуумных генераторов шума.

...