74233

Аналитическая модель p – n – перехода Разновидности диодов

Лекция

Физика

Варикапы Зависимость барьерной емкости СБ от приложенного обратного напряжения VG используется для приборной реализации. Функциональная зависимость емкости варикапа от напряжения определяется профилем легирования базы варикапа. В случае однородного легирования емкость обратно пропорциональна корню из приложенного напряжения VG. Задавая профиль легирования в базе варикапа NDx можно получить различные зависимости емкости варикапа от напряжения CVG – линейно убывающие экспоненциально убывающие.

Русский

2014-12-30

1.94 MB

2 чел.

Лекция 7   Аналитическая модель pn – перехода  Разновидности диодов

Аналитическая модель pn – перехода  это его ВАХ.

Для идеального:

.

Для реального:

,

где Iобр = I0 + IТб + IУТ;

.

Схемные модели

  1.  Схема замещения для любых сигналов

Спер = Сбар + Сдиф.

Достоинство – универсальность.

Недостаток – наличие нелинейного генератора тока.

а) для режима малых переменных сигналов

б) для прямого смещения

U = Uпр;

Сб <<Сдр.

в) для обратного смещения

U = Uобр;

Сб >>Сдр.

4.2. Варикапы

Зависимость барьерной емкости СБ от приложенного обратного напряжения VG используется для приборной реализации. Полупроводниковый диод, реализующий эту зависимость, называется варикапом. Максимальное значение емкости варикап имеет при нулевом напряжении VG. При увеличении обратного смещения емкость варикапа уменьшается. Функциональная зависимость емкости варикапа от напряжения определяется профилем легирования базы варикапа. В случае однородного легирования емкость обратно пропорциональна корню из приложенного напряжения VG. Задавая профиль легирования в базе варикапа ND(x), можно получить различные зависимости емкости варикапа от напряжения C(VG) – линейно убывающие, экспоненциально убывающие. На рисунке 4.4 показана зависимость емкости варикапов различных марок от приложенного напряжения.

Рис. 4.4. Конструкция варикапа (а) и зависимость емкости варикапа от напряжения для различных варикапов (б  КВ116А, в  КВ126А, г  КВ130А) [23, 25]

4.4. Стабилитроны

Стабилитроном называется полупроводниковый диод, вольтамперная характеристика которого имеет область резкой зависимости тока от напряжения на обратном участке вольтамперной характеристики.

ВАХ стабилитрона имеет вид, представленный на рисунке 4.9.

Рис. 4.9. Вольтамперная характеристика (а) и конструкция корпуса (б) стабилитрона

При достижении напряжения на стабилитроне, называемого напряжением стабилизации Uстаб, ток через стабилитрон резко возрастает. Дифференциальное сопротивление Rдиф идеального стабилитрона на этом участке ВАХ стремится к 0, в реальных приборах величина Rдиф составляет значение: Rдиф  250 Ом.

Основное назначение стабилитрона – стабилизация напряжения на нагрузке, при изменяющемся напряжении во внешней цепи. В связи с этим последовательно со стабилитроном включают нагрузочное сопротивление, демпфирующее изменение внешнего напряжения. Поэтому стабилитрон называют также опорным диодом.

Напряжение стабилизации Uстаб зависит от физического механизма, обуславливающего резкую зависимость тока от напряжения. Различают два физических механизма, ответственных за такую зависимость тока от напряжения, – лавинный и туннельный пробой pn перехода.

Для стабилитронов с туннельным механизмом пробоя напряжение стабилизации Uстаб невелико и составляет величину менее 5 вольт: Uстаб < 5 В. Для стабилитронов с лавинным механизмом пробоя напряжение стабилизации обычно имеет большие значения и составляет величину более 8 вольт: Uстаб > 8 В.

Туннельный пробой в полупроводниках

Проанализируем более подробно механизмы туннельного и лавинного пробоя.

Рассмотрим зонную диаграмму диода с pn переходом при обратном смещении при условии, что области эмиттера и базы диода легированы достаточно сильно (рис. 4.10).

Рис. 4.10. Зонная диаграмма диода на базе сильнолегированного pn перехода при обратном смещении

Квантово-механическое рассмотрение туннельных переходов для электронов показывает, что в том случае, когда геометрическая ширина потенциального барьера сравнима с дебройлевской длиной волны электрона, возможны туннельные переходы электронов между заполненными и свободными состояниями, отделенными потенциальным барьером.

Для барьера треугольной формы получено аналитическое выражение для зависимости туннельного тока Jтун от напряженности электрического поля Е следующего вида:

. (4.19)

За напряженность электрического поля пробоя Eпр условно принимают такое значение поля Е, когда происходит десятикратное возрастание обратного тока стабилитрона: .

При этом для pn переходов из различных полупроводников величина электрического поля пробоя Eпр составляет значения: кремний Si: Eпр = 4105 В/см; германий Ge: Eпр = 2105 В/см. Туннельный пробой в полупроводниках называют также зинеровским пробоем.

Лавинный пробой в полупроводниках

Рассмотрим случай однородного электрического поля в полупроводнике. Если двигаясь вдоль силовых линий электрического поля электрон на расстоянии, равном длине свободного пробега λ, наберет энергию, равную либо большую, чем ширина запрещенной зоны, то, неупруго рассеиваясь, этот электрон может вызвать генерацию еще одной электроннодырочной пары. Дополнительно нагенерированные свободные носители также будут участвовать в аналогичном процессе. Это явление лавинного размножения свободных носителей в условиях сильного электрического поля получило название лавинного пробоя. На рисунке 4.12 показана схема, иллюстрирующая лавинный пробой.

Размеры геометрической области полупроводника W, в которой происходит лавинное умножение, должны быть существенно больше длины свободного пробега электрона λ. Соотношения, определяющие условие лавинного пробоя, будут следующие:

. (4.22)

Рис. 4.12. Схема, иллюстрирующая лавинный пробой в однородном полупроводнике [27, 10]:

а) распределение электрического поля, доноров и акцепторов и свободных носителей; б) распределение токов; в) зонная диаграмма, иллюстрирующая лавинное умножение в ОПЗ

Одним из параметров лавинного пробоя является коэффициент лавинного умножения M, определяемый как количество актов лавинного умножения в области сильного электрического поля. Если обозначить начальный ток I0, то после лавинного умножения величина тока будет иметь вид: I = M·I0,

,

где U – напряжение лавинного пробоя, U – напряжение, n – коэффициент, равный 3 или 5 для Ge или Si соответственно.

Для несимметричного p+ n перехода расчет дает следующее значение напряжения лавинного пробоя VB при условии, что максимальное значение поля в ОПЗ p+n перехода можно приближенно оценить как среднее:

. (4.23)

Величина электрического поля Еm, определяемая соотношением (4.23), зависит от величины и типа легирующей концентрации ND, NA, температуры и лежит в диапазоне Еm = (45) 105 В/см для кремния и Еm = (23)·105 В/см для германия.

Приборные характеристики стабилитронов

Основными характеристиками стабилитрона являются ток Iст и напряжение Uст стабилизации, дифференциальное напряжение стабилитрона rст и температурная зависимость этих параметров. На рисунке 4.13 приведены дифференциальные параметры различных стабилитронов.

Рис. 4.13. Дифференциальные параметры различных стабилитронов:

а) зависимость дифференциального сопротивления от прямого тока 2С108; б) зависимость изменения напряжения стабилизации от температуры для различных типономиналов стабилитрона 2С108; в) зависимость дифференциального сопротивления от прямого тока 2С351

Как следует из приведенных данных, значение дифференциального сопротивления для стабилитронов обратно пропорционально току стабилизации и составляет десятки Ом при рабочих параметрах токов. Точность значения напряжения стабилизации составляет десятки милливольт в стандартном температурном диапазоне.

4.5. 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 nобразная зависимость тока от напряжения. На рисунке 4.14 приведена вольтамперная характеристика типичного туннельного диода при прямом смещении.

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

Если концентрация доноров и акцепторов в эмиттере и базе диода будет NA, ND ~ 1020 см-3, то концентрация основных носителей будет много больше эффективной плотности состояний в разрешенных зонах pp0nn0 >> NC, NV. В этом случае уровень Ферми будет находиться в разрешенных зонах p+ и n+ полупроводников.

Рис. 4.14. Туннельный диод 1И104 [25, 23]:

а) вольтамперная 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 4.15.

Рис. 4.15. 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 Eg/2). В выражении для дрейфового тока (обратного) концентрация неосновных носителей  мала и поэтому обратный ток тоже будет мал.

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 4.16 показана зонная диаграмма туннельного диода при обратном смещении.

Рис. 4.16. 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 4.17 показаны зонные диаграммы туннельного диода при прямом смещении, соответствующие трем точкам на прямом участке вольт-амперной характеристики.

Рис. 4.17. 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 pn перехода.

Участок 3 на рисунке 4.17 – это участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

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

Рассмотрим вольтамперные характеристики pn 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 вольтамперные 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 вольтамперная 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 4.19 приведена вольтамперная характеристика обращенного диода.

Рис. 4.19. Вольтамперная характеристика германиевого обращенного диода ГИ403 [23, 25]:

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 СВЧдиапазоне.

Диод Ганна – полупроводниковый диод, состоящий из однородного полупроводника, генерирующий СВЧколебания при приложении постоянного электрического поля.

Физической основой, позволяющей реализовать такие свойства в диоде, является эффект Ганна, который заключается в генерации высокочастотных колебаний электрического тока в однородном полупроводнике с Nобразной вольтамперной характеристикой.

Эффект Ганна обнаружен американским физиком Дж. Ганном (J. Gunn) в 1963 г. в кристалле арсенида галлия (GaAs) с электронной проводимостью. Ганн обнаружил, что при приложении электрического поля E (Eпор ≥ 23 кВ/см) к однородным образцам из арсенида галлия nтипа в образце возникают спонтанные колебания тока. Позднее он установил, что при E > Eпор в образце, обычно у катода, возникает небольшой участок сильного поля – «домен», дрейфующий от катода к аноду со скоростью ~107 см/сек и исчезающий на аноде. Затем у катода формируется новый домен, и процесс периодически повторяется. Моменту возникновения домена соответствует падение тока, текущего через образец. Моменту исчезновения домена у анода – восстановление прежней величины тока. Период колебаний тока приблизительно равен пролетному времени, т.е. времени, за которое домен дрейфует от катода к аноду.

Как любой генератор СВЧдиапазона, генератор Ганна характеризуется генерируемой мощностью, длиной волны, или частотой генерируемых колебаний, коэффициентом полезного действия, уровнем шумов и другими параметрами.

Выходная непрерывная мощность генераторов Ганна в пролетном режиме обычно составляет десятки – сотни милливатт, а при импульсной работе достигает сотен ватт.

Верхний предел рабочей частоты диодов Ганна составляет сотни гигагерц (рис. 8.10). Генераторы Ганна из арсенида галлия могут генерировать СВЧ-колебания от 1 до 50 ГГц. Несколько бóльшие частоты получены на генераторах Ганна из фосфида индия в связи с бóльшими значениями максимальных скоростей электронов, но качество приборов из этого материала значительно ниже из-за недостаточной отработки технологии изготовления материала. Преимущество фосфида индия перед арсенидом галлия – большее значение пороговой напряженности электрического поля (10,5 и 3,2 кВ/см соответственно). Это должно позволить создать генератор Ганна с бóльшей выходной мощностью. Для создания бóльших частот генерируемых колеба

Эффект Ганна наблюдается, помимо GaAs и InP, в электронных полупроводниках CdTe, ZnS, InSb, InAs и др., а также в Ge с дырочной проводимостью.

Коэффициент полезного действия генераторов Ганна может быть различным (от 1 до 30 %), так как технологии изготовления приборов и качество исходного полупроводникового материала существенно различаются.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

1132. Операционный контроль геометрических параметров оптических деталей 143 KB
  Ознакомится с основными геометрическими параметрами оптических деталей и методами их измерения. Изучить состав и устройство основных видов оборудования и приспособлений для измерения параметров оптических деталей. Овладеть навыками измерений толщины, радиуса кривизны, предела разрешения и других параметров линз, пластин и призм.
1133. Исследование процесса сборки автоколлимационной зрительной трубки 234.5 KB
  Ознакомиться с методом автоколлимации и способами его реализации. Изучить конструкцию автоколлимационной трубки. Овладеть навыками проведения юстировочных и контрольных операций в процессе сборки оптических систем. Провести измерения плоскопараллельности методом автоколлимации.
1134. Сборка и контроль объективов насыпной конструкции 177.5 KB
  Виды, конструкции и назначения объективов. Особенности сборки объективов. Параметры, характеризующие качество сборки. Схема установки для контроля характеристик объективов по дифракционной точке. Возможные изображения дифракционной точки.
1135. Контроль предела разрешения, фокусных расстояний и качества сборки узлов ЭОС 119.5 KB
  Ознакомиться с параметрами оптических узлов, по которым проверяется правильность их сборки. Изучить методику оценки качества сборки по дифракционному изображению точки. Получить навыки определения фокусного расстояния и предела разрешения оптических систем.
1136. Центрировка линз. методы измерения децентричности 224.5 KB
  Методы контроля децентричности. Контроль с помощью коллиматора и микроскопа. Схема контроля децентрировки линз в проходящем свете с помощью коллиматора и микроскопа. Контроль с помощью автоколлимационного микроскопа. Контроль деценрировки на автоколлимационном микроскопе А.А.Забелина.
1137. Миры штриховые для определения предела разрешения 143 KB
  Штриховая мира состоит из элементов с различным количеством штрихов одинаковой длины. Ширина штрихов каждой миры убывает от элемента №1 к элементу номер 25 по закону геометрической прогрессии со знаменателем. Число штрихов в каждой группе элементов миры.
1138. Определение цены деления микроскопа с окуляр-микрометром 44 KB
  Для определения цены деления микроскоп-микрометра применяют объект-микрометр (шкалу с ценой деления 0,01 мм). Перекрестие шкалы окулярного микрометра.
1139. Типовые контрольно-юстировочные приборы 75 KB
  Зрительные трубки. Диоптрийная трубка. Коллиматоры для проверки разрешающей силы и качества изображения. Широкоугольный коллиматор.
1140. Информационные системы и базы данных. Основные требования к СУБД. Основные функции и структура СУБД. 686.5 KB
  Создание пустой базы данных в среде СУБД Access 2003. Добавление полей связи. Концептуальная модель проектируемой базы данных.