69014

Високочастотні властивості p-n структур

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Таким чином при прямій напрузі електрони переходять із однієї області у іншу без витрат енергії утворюючи струм. В цьому випадку навпроти заповнених рівнів pобласті знаходяться заповнені рівні nобласті і електрони здійснюють тунельні переходи з ВЗ pн п в ЗП nн п в обох напрямках і сумарний...

Украинкский

2014-09-28

188.5 KB

0 чел.

7. Високочастотні властивості p-n структур

7.1 Тунельний ефект

Хід  ВАХ діода залежить  від  концентрації  домішок  в p- та n-областях. На рис. 6.1 зображено ВАХ p-n переходів з різною концентрацією домішок.

Рис. 7.1. ВАХ p-n переходів з різною концентрацією домішок

Характеристика (1) відповідає ВАХ звичайного p-n перехода (приблизно 1016 атомів домішок в 1 см3).

З ростом концентрації домішок зворотна провідність н/п зростає, і якщо вона стає більшою, ніж пряма (домішок приблизно 1018 в 1 см3), то провідному напрямку буде відповідати зворотня гілка ВАХ, а зворотньому – пряма (2). Тому діоди з такою ВАХ називають оберненими.

Якщо домішок більше, ніж 1019 на 1 см3(характеристика 3), то в p-n структурі виникає тунельний ефект.

При великій концентрації домішок товщина p-n переходу буде дуже малою (до 0,01 мкм), а напруженість електричного поля – дуже високою. В цьому випадку положення енергетичних зон змінюється, рівні Фермі зміщуються в ЗП n-області і в ВЗ p-області.

По обидва боки p-n переходу зявляються однакові енергетичні рівні зони провідності (ЗП) та валентні зони (ВЗ). За цих умов, як відомо із фізики, електрон, що має енергію, недостатню для переходу через потенціальний бар’єр p-n переходу, все ж таки долає його, якщо за бар’єром є такий самий вільний енергетичний рівень, як і той, на якому він знаходився перед бар’єром. Він залишає одну область напівпровідника з енергією, з якою входить у другу.

Таким чином, при прямій напрузі електрони переходять із однієї області у іншу без витрат енергії, утворюючи струм.

Отже, тунельний ефект – це явище переходу електронів крізь потенціальний бар’єр p-n переходу без витрат додаткової енергії.

Рис. 6.2. Енергетичні діаграми p-n переходу тунельного діоду.

Розглянемо на енергетичних діаграмах вплив тунельного ефекту на ВАХ p-n переходу при різних прикладених напругах (рис. 6.2).

А. Напруга на p-n структурі відсутня U=0. В цьому випадку навпроти заповнених рівнів p-області знаходяться заповнені рівні n-області і електрони здійснюють тунельні переходи з ВЗ p-н/п в ЗП n-н/п в обох напрямках і сумарний струм буде відсутній Iтун=0 (точка А рис. 6.3).

Б. На p-n структуру подана зворотня напруга U= Uзв. Енергетичні зони розміщуються так, що проти заповнених рівней ВЗ p-області знаходяться вільні рівні ЗП n-області. Виникає потік електронів (Iтун) із ВЗ p-області в ЗП n-області, що значно збільшує зворотний струм преходу (точка Б на рис. 6.3). В звичайних же p-n переходах зворотний струм малий, оскільки він утворюється екстракцією неосновних носіїв заряду, які мають невелику концентрацію.

В. На p-n структуру подана пряма напруга. Заповнені рівні ЗП n-області стають проти вільних рівнів  ВЗ p-області. Починає переважати тунельний перехід    електронів    із    ЗП    n-області    в    ВЗ    p-області.  Тунельний    струм    буде більший, ніж звичайний дифузійний. Він досягає максимума (точка В на рис.6.3).

Г. З подальшим збільшенням напруги Uпр перекриття заповнених вільних рівнів зменшується і тунельний струм зменшується. Коли ЗП n-області розташовується навпроти ЗЗ p-області, тунельний струм стає мінімальним (точка Г рис 6.3).

Д. При ще більшій напрузі перекриття рівнів зникає і струм стає чисто дифузійним Iдиф  і зростає з напругою Uпр (точка Д рис 6.3).

Рис. 6.3. ВАХ p-n переходу з тунельним ефектом

6.2 Обернені та тунельні діоди

Обернені діоди мають концентрацію домішок 1018 в 1 см3. У них рівні Фермі на енергетичній діаграмі збігаються з рівнями зон, а зворотня провідність у них вища за пряму, тому провідному напрямку буде відповідати зворотня гілка ВАХ, а протилежному – пряма (крива 2 на рис. 6.1). Обернені діоди працюють в основному з подачею зворотної напруги, але для стабілізації струму використовується горизонтальна ділянка ВАХ при прямій напрузі.

Робота тунельних діодів заснована на тунельному ефекті. При високій концентрації домішок і малій ширині p-n переходу з подачею прямої напруги виникає струм, який наближається до найбільшого значення і стає максимальним вже при малих напругах, а при подальшому збільшенні напруги кількість електронів, здатних подолати бар’єр, зменшується, і струм швидко спадає. Із ВАХ тунельного діода видно, що на відміну від звичайних діодів тунельні діоди добре проводять струм не тільки в прямому, а і в зворотньому напрямку. Особлива відмінність ВАХ тунельного діода в тому, що вона має ділянку, на якій з ростом прямої напруги прямий струм спадає (ділянка АБ на рис. 6.5), що відповідає негативному диференціальному опору.

Для виявлення енергетичного змісту негативного опору, розглянемо ланцюг, який містить джерела постійної E і змінної U(t) напруги і тунельний діод VD (рис. 6.4).

Рис. 6.4. Енергетичний зміст негативного опору

Нехай значення постійної напруги E буде посередині ділянки ВГ, а амплітуда змінної напруги Um не виходить за межі значень напруги UI макс і UI мін (рис. 6.5).


Рис. 6.5.

За  відсутності змінної напруги в ланцюгу буде протікати постійний струм I0 і діод буде споживати потужність

P0=I0E0

Якщо в ланцюзі поряд з постійною напругою E0 діє гармонічна напруга U(t), то значення струму буде змінюватись з часом. При амплітуді Um напруги U(t) початкова фаза струму i(t) відрізняється від фази напруги на 180. При такому фазовому зсуві потужність, яка споживається діодом по змінному струму, стає негативною.

P0=-I0E= I02(-R)= -I02R,

Тобто потужність на негативному опорі віддається в зовнішній ланцюг. Діод стає джерелом енергії. Включення його в ланцюг дозволяє компенсувати втрати енергії.

Негативний опір є зручною математичною абстракцією, а не звичайною (реальною) фізичною величиною.

Основні параметри тунельних діодів.

  •  Піковий струм: Iмакс – прямий струм в точці максимуму ВАХ (декілька mAдекілька A).
  •  Струм западини: Iмін – прямий струм в точці мінімуму ВАХ.
  •  Напруга піка: UI max – пряма напруга, яка відповідає піковому струму.
  •  Напруга западини: UI min – пряма напруга,яка відповідає струму Iмін
  •  Напруга розтину: Up – пряма напруга на другій гілці при піковому струмі.
  •  Ємність діода Cд – сумарна ємність p-n переходу та корпусу діода при заданій напрузі зміщення.

  •  Відношення

  •  Диференційна провідність діода (крутість), сотні

Переваги тунельних діодів:

  •  висока межова частота (декілька сотем гГц). Це повязано з тим, що струм в тунельному діоді створюється основними носіями, проходження яких не повязано з нагромадженням нерівноважного заряду, перехід крізь тунель проходить за короткий час (10-13 с);
  •  мала споживна потужність;
  •  широкий діапазон робочих температур – оскільки при тунельному переході електрони не витрачають енергію;
  •  стійкість перед радіаційним випромінюванням;
  •  малі габарити і вага;
  •  малий рівень шумів;
  •  наявність негативного опору робить можливим компенсацію втрат, які вносяться навантаженням.

Недоліками їх є великий електричний зв’язок між входом і виходом; мала вихідна потужність приладів, створених на їх основі; несумісність з технологією виготовлення ІМС.


6.3 Бар
єр Шоттки

На межі напівпровідника та металу електорни з напівпровідника можуть переходити в метал і навпаки. Цей процес визначається роботою виходу електронів із металу та н/п (енергією Фермі).

Якщо робота виходу електронів із металу буде більшою роботи виходу електронів із н/п, то електрони будуть переходити з н/п в метал (рис. 6.6).

Рис. 6.6. Структура барєра Шоттки

В цьому разі в приконтактному шарі н/п, з якого електрони ідуть у метал, виникає нескомпенсований обємний позитивний заряд іонів-донорів, тобто н/п заряджається позитивно, а метал – негативно. Виникає контактна різниця потенціалів к, а електричне поле E, яке спрямовано з металу в н/п, буде протидіяти подальшому переходу електронів.

Це означає, що на межі М-н/п виникає перехід, який буде мати випрямні властивості, аналогічні p-n переходу. ВАХ металонапівпровідникових переходів така ж, як і ВАХ p-n переходу.

Опір переходу М-н/п залежить від полярності і рівня прикладеної напруги:

  •  якщо напруга, яка прикладена “-“ до н/п n-типу, а “+” до металу, є прямою, то цьому випадку потенційний барєр для електронів зменшується і струм електронів із н/п в метал зростає;
  •  при зворотній напрузі потенційний барєр зростає і струм стає малим.

Таким чином, діод Шоттки – це такий н/п діод, робота якого заснована на явищах на межі переходу метал-н/п.

Особливістю діода Шоттки є те, що в ньому немає нагромадження зарядів, як у звичайному p-n переході.

В діоді Шоттки весь прямий струм, який проходить з напівпровідника в метал, створюється електронами, які швидко приходять до рівноваги з іншими електронами в металі, в них немає дифузії і рекомбінації.

Таким чином, перевагами діодів Шоттки є:

  •  мала дифузійна ємність (завдяки малому нерівноважному заряду);
  •  велика швидкодія і гранична частота (до 500 ТГц);
  •  високий ККД;
  •  висока теплова стійкість (Т до 500С);
  •  малий коефіцієнт шуму;
  •  мале падіння напруги в прямому напрямку.

На основі структури Шоттки створюються діоди, транзистори  та ІМС. Вони використовуються в детекторах і змішувачах, помножувачах і перетворювачах СВЧ-діапазона, при перемиканні, в потужних випрямних діодах. Залежність ємності зворотнозміщеного переходу Шоттки від напруги дозволяє використовувати його як конденсатор для електричної підстройки частоти коливального контура.

6.4 Переходи з p-i-n структурою

Існують діоди, в p-n переході яких концентрація носіїв близька до власної концентрації н/п (i-шар). Домішки в i-шарі відсутні, тому на ньому буде падати більша частина прикладеної напруги.

Особливістю цих переходів є мала і постійна бар’єрна ємність, що дозволяє їх застосовувати в НВЧ-електроніці (ГГц).

ВАХ p-i-n діодів наведено на рис. 6.7.

Рис. 6.7. ВАХ p-i-n діодів

Структура переходу з p-i-n структурою і розподіл концентрації та електричного поля наведено на рис. 6.8.

Рис. 6.8. Діод з p-i-n структурою:

а – структура; б – концентрація домішок; в – електричне поле.


Uзв

e(φк+Uзв)

Iдиф

Iтун

-

Iтун

Iтун=0

+

+

-

U=0

ЗП

ЗП

ЗЗ

ЗЗ

ВЗ

ВЗ

А

eφк

n

p

1019 см-3

1016 см-3

1018 см-3

3

2

1

3

2

1

0

WF

I

U

ЗП

ЗП

ЗЗ

ЗЗ

ВЗ

ВЗ

Б

n

p

-

e(φк-U2)

-

U1>0

e(φк-U1)

ЗП

ЗП

ЗЗ

ЗЗ

ВЗ

ВЗ

В

n

p

Не заштриховані зони в ЗП і ЗЗ – це вільні енергетичні рівні.

Заштриховані – заповнені електронами енергетичні рівні

-

Iтун

U2> U1

ЗП

ЗП

ЗЗ

ЗЗ

ВЗ

ВЗ

Г

n

p

e(φк-U3)

Iдиф

-

Uпр

U3> U2

ЗП

ЗП

ЗЗ

ЗЗ

ВЗ

ВЗ

Д

n

p

Iпр

A

Б

В

Г

Д

Um

E

U(t)

VD

t

Up

Б

А

i

t

I0

E

UI min

UI max

U

U

t

i

n

метал

н/п

м

E

к

eм>en

i-шар

p

n

E

x

в

б

Nд

Nа

x

I

U

i-шар

n

p

Iдиф

Iдиф

Iмакс

Iмін

а


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

23942. Художественные особенности, композиция, структура «Илиады» 15.75 KB
  В расспросах Приама и ответах Елены встает ряд образов величавый Агамемнон многоумный Одиссей могучий Аякс Аянт Боевые картины Илиады чередуются с трогательными сценами в стенах осажденной Трои и несколько комическими пререканиями на Олимпе Длинным перечнем кораблей племен и вождей греческого войска каталог кораблей а также троянских сил выступающих из города под предводительством своего храбрейшего витязя Гектора сына царя Приама заканчивается II книга. 3я книга знакомит с виновниками войны Парисом Менелаем Еленой....
23943. К ПОНИМАНИЮ СОБЫТИЙ, О КОТОРЫХ РАССКАЗЫВАЮТ ИЛИАДА И ОДИССЕЯ 26.2 KB
  Существовало предсказание что сын родившийся от Фетиды будет много сильнее своего отца. Чтобы сделать для себя безопасным будущего сына Фетиды они и выдали ее замуж за смертного. Поладить не смогли и обратились за решением спора к красавцуцаревичу Парису сыну троянского царя Приама. На юге Греции в знаменитой впоследствии Спарте царствовал Менелай Атрид то есть сын Атрея.
23944. Илиада 15.54 KB
  Поэма Илиада рассказывает о гневе Ахилла на Агамемнона. Первая строка: Гнев богиня воспой Ахиллеса Пелеева сына. Тогда Ахилл посоветовал непременно вернуть дочь отцу а из следующей добычи возместить потерю. Агамемнон Хрисеиду вернул а у Ахилла отнял Брисеиду которую Ахилл любил.
23945. Уголовное право 62.08 KB
  Уголовное право — одна из основных отраслей права в гражданском обществе. Оно представляет собой совокупность юридических норм, установленных высшими органами государственной власти, определяющих преступность и наказуемость деяний, основание и принципы уголовной ответственности