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

7387. Проектирование дополнительных рабочих органов для плуга-лущильника ППЛ-10-25 131.86 KB
  В почвенно-климатических регионах Европейской части России с выпадением осадков более 500 мм в год, вспашка с оборотом пласта является наиболее эффективным приёмом основной обработки почвы. В сложившихся условиях дефицита минера...
7388. Визуальный контроль резервуара вертикального стального РВС-5000 32.27 MB
  Визуальный контроль резервуара вертикального стального РВС-5000 1. Эскиз резервуара Технические характеристики РВС 5000 м...
7389. Объемный гидропривод - совокупность объёмных гидромашин 391 KB
  Объемный гидропривод Введение. Объемным гидроприводом называется совокупность объёмных гидромашин, гидроаппаратуры и других устройств, для передачи механической энергии посредством жидкости. Для объемных гидромашин характерно то, что их рабочий проц...
7390. Прогнозирование и планирование как функция управления 17.99 KB
  Прогнозирование и планирование как функция управления Термин прогноз означает предвидение, предсказание. Прогнозирование - это процесс составления прогноза развития тех или иных событий. Практика и теория прогнозирования накопила значительное...
7391. Приводная станция винтового конвейера 679.68 KB
  Кинематический расчет. Выбор электродвигателя. Общий К.П.Д. привода. Из каталога выбираем наиболее близкий по требуемой мощности трёхфазный асинхронный электродвигатель...
7392. Исследование коронного разряда 224 KB
  Исследование коронного разряда Цель работы: Ознакомление с основными свойствами коронного разряда. Исследование работы стабилитронов напряжения коронного разряда. Введение Коронный разряд является самостоятельным разрядом в с...
7393. Разработать технологию изготовления детали крышка и спроектировать штамп для листовой штамповки 180 KB
  Техническое задание Разработать технологию изготовления детали крышка и спроектировать штамп для листовой штамповки. Исходные данные: Вариант Материал D, мм R, мм S, мм 7 Латунь Л63 50 25 1,0 Рис. 1. Эскиз детали крышка Введение Обр...
7394. Проектування і оптимізація складу бетонної суміші 105.18 KB
  Вступ Бетон - це штучний камінь, що складається з чотирьох основних компонентів: води, цементу, дрібних і великих заповнювачів. Бетон - композиційний матеріал, що отримується в результаті формування і твердіння раціонально підібраної бетонної ...
7395. Підприємство в ринковій економіці 208 KB
  Тема № 9: Підприємство в ринковій економіці План: Вступ 1.Суть, функції, та приципи підприємництва. 2.Умови підприємницької діяльності. 3. Теорії підприємництва: неокеинсіанство та неокласичний синтез 4. Форми та види підприємницької діяльно...