 |
|
Тунельні та обернені діоди
Тунельними називаються діоди, які мають на прямій гільці своєї ВАХ ділянку з негативним диференціальним опором унаслідок тунельного ефекту.
Тунельний ефект полягає у тунельному проникненні електрона через 
- перехід, тобто такому проникненні, коли електрон з ВЗ однієї області прямо потрапляє до ЗП іншої області. Це стає можливим, якщо товщина переходу дуже мала (менша 150 Å) і якщо енергетичним рівням, заповненим електронами в одній області, відповідають такі ж вільні дозволені енергетичні рівні в сусідній області. Ці умови здійснюються в - переходах з НП, які мають високу концентрацію домішок ( 
). Товщина - переходів у цьому випадку має порядок 
см, що зумовлює високу напруженість електричного поля переходу і забезпечує ймовірність тунельного ефекту. У таких НП атоми домішок внаслідок малої відстані взаємодіють між собою, їх рівні розщеплюються в зони, які прилягають у НП р-типу до ВЗ, а в НП n-типу - до ЗП. Такі напівпровідники називають виродженими, оскільки в них рівні Фермі розміщені в ЗП n-області і в ВЗ р-області.
Вигляд ВАХ тунельного діода можна пояснити за допомогою енергетичних діаграм (рис. 2.9). На діаграмах рівні ВЗ та ЗП напівпровідників, що заповнені електронами, заштриховані.
При зовнішній напрузі 
(рис. 2.9 а) рівень Фермі всієї системи однаковий ( 
). Напроти зайнятих електронами рівнів р-області розміщуються зайняті рівні n-області. Тунельний перехід електронів неможливий, струм дорівнює нулю.
Під дією прямої напруги 
рівні Фермі зміщуються на величину 
(рис. 2.9 б), і напроти частини енергетичних рівнів, зайнятих електронами в n-області (подвійне штрихування), опиняться вільні рівні в р-області. Внаслідок цього відбувається тунельний перехід електронів з n-області до р-області і протікає прямий тунельний струм, величина якого пропорційна площі перекриття вільних енергетичних рівнів ВЗ р-області й заповнених енергетичних рівнів ЗП n-області. Тунельний струм зростатиме доти, поки перекриття не стане максимальним (рис. 2.9 в). Подальше зростання прямої напруги зменшує площу перекриття відповідних рівнів, і тунельний струм зменшується (рис. 2.9 г). При певній прямій напрузі зайняті електронами енергетичні рівні ЗП n-області стануть напроти енергетичних рівнів ЗЗ р-області. Тунельний перехід електронів у цьому випадку стане неможливим, і тунельний струм припиниться. У той самий час при прямих напругах у діоді відбувається, як правило, інжекція носіїв, що зумовлює протікання через нього дифузійного струму (рис. 2.9 д, е), який при напрузі 
стає більшим, ніж тунельний струм.
Якщо діод включити у зворотному напрямі, то рівні Фермі зміщуються так, як показано на рис. 2.9 ж, і з’являється можливість тунельного переходу електронів із заповнених рівнів ВЗ р-області на вільні рівні ЗП n-області. Це приводить до протікання через діод великого зворотного тунельного струму.
Рисунок 2.9 – ВАХ тунельного діода та її утворення
- переходи тунельних діодів одержують здебільшого способом сплавлення з германію, арсеніду галію та антимоніду галію. Оскільки для виготовлення таких діодів використовують вироджені НП, які за характером провідності наближаються до металів, то робоча температура приладів досягає 400 
С.
Недоліком тунельних діодів є мала потужність із причини низьких робочих напруг (десяті частки вольта) і малих площ переходу.
За своїм призначенням тунельні діоди поділяють на підсилювальні (третій елемент позначення – 1), генераторні (2) та перемикальні (3).
Приклади позначення тунельних діодів:
АИ201Г – діод тунельний генераторний, широкого використання, з арсеніду галію, номер розробки 01, група Г.
ЗИ306Е – діод тунельний перемикальний, спеціального призначення, з арсеніду галію, номер розробки 06, група Е.
Тунельні діоди дозволяють будувати підсилювачі, генератори, змішувачі у діапазоні хвиль аж до міліметрових. На тунельних діодах створюють і різноманітні імпульсні пристрої: тригери, мультивібратори з дуже малим часом перемикання.
Частковим випадком тунельних діодів є обернені діоди, у яких внаслідок тунельного ефекту провідність при зворотних напругах значно більша, ніж при прямих. - переходи обернених діодів створюються напівпровідниками, що мають дещо меншу концентрацію домішок, і тому рівні Фермі збігаються з краями ЗП і ВЗ (рис. 2.10 а). При вмиканні таких діодів у зворотному напрямі тунельні електрони з ВЗ р-області переходять на вільні рівні ЗП n-області, і через - перехід тече великий зворотний струм. При прямому вмиканні діодів перекриття зон не здійснюється, тунельний ефект не відбувається, і прямий струм визначається лише дифузійним струмом. ВАХ оберненого діода показана на рисунку 2.10 б. Саме її форма дала назву цим діодам.
Третій елемент їх позначення – цифра 4. Мала інерційність унаслідок тунельного ефекту і велика крутизна характеристики зумовлюють використання обернених діодів у детекторах і змішувачах діапазону надвисоких частот.
а) 
б) 
Рисунок 2.10 – Енергетична діаграма (а)
та ВАХ (б) оберненого діода
Варикапи
Варикапи – це напівпровідникові діоди, у яких використовується залежність бар’єрної ємності - переходу від зворотної напруги. Варикапи поділяють на підстроювальні (третій елемент позначення – 1) і варактори (третій елемент – 2).
Підстроювальні варикапи використовують, наприклад, для електронного підстроювання резонансної частоти коливальних контурів (рис. 2.11). На схемі рис. 2.11 конденсатор С запобігає замиканню напруги зміщення через котушку індуктивності 
. Ємність конденсатора значно перевищує бар’єрну ємність варикапа 
. Тому резонансна частота контуру дорівнює
, (2.5)
де 
- ємність варикапа.
Регулюючи напругу зміщення, яка подається на варикап з потенціометра 
через резистор 
, можна змінювати ємність приладу, а отже, і резонансну частоту контура. Резистор запобігає можливості шунтування коливального контуру при переміщенні повзунка потенціометра. Опір вибирають більшим, ніж резонансний опір контуру.
Варактори, які мають виражену нелінійну вольт-амперну характеристику, використовують у пристроях параметричного підсилення і помноження частоти.
Рисунок 2.11 – Схема ввімкнення варикапа
Основні параметри варикапів: номінальна ємність, виміряна при даній зворотній напрузі 
; максимально допустима зворотна напруга 
; добротність варикапа, яка визначається відношенням реактивного опору до опору втрат.
Розглянемо вплив параметрів еквівалентної схеми діодів (рис. 1.17 б) на добротність варикапа.
Комплексний опір діода при зворотному включенні:
. (2.6)
З формули (2.6) випливає, що реактивна складова опору діода
, (2.7)
а активна –
. (2.8)
З формул (2.7) та (2.8) можна записати вираз для добротності варикапа:
. (2.9)
В області низьких частот
і 
. (2.10)
В області високих частот 
, і тоді
. (2.11)
З виразів (2.10) та (2.11) випливає, що з метою збільшення добротності варикапа необхідно збільшувати зворотний опір його - переходу і зменшувати опір бази.
Для виконання першої умови варикапи виготовляють з кремнію. Для одержання малого опору бази для варикапа використовують структуру 
, в якій база складається з двох шарів: 
і 
(рис. 2.12); - шар бази має малу товщину, тому при зворотному вмиканні весь - перехід розміщується в цьому шарі. Опір бази в цьому випадку утворено лише сильнолегованою -областю, і тому він має малу величину. Ця структура, крім того, дозволяє значно збільшити зворотну напругу варикапа.
Рисунок 2.12 – Напівпровідникова структура варикапа
Діоди Шотткі
Діод Шотткі – це напівпровідниковий діод, провідні властивості якого ґрунтуються на застосуванні випрямного контакту металу зі збідненим шаром напівпровідника.
Як відомо, при співвідношенні робіт виходу електронів з металу і напівпровідника 
< 
або 
< у приконтактній області напівпровідника можна сформувати збіднений шар, який забезпечує вентильні властивості контакту (несиметрію ВАХ). При цьому випрямна дія діодів з такими контактами «метал-напівпровідник» (діодів Шотткі) ґрунтується на перенесенні заряду лише основними носіями, і тому в цих приладах відсутнє явище інжекції неосновних носіїв при вмиканні, а відтак явище екстракції при вимиканні. Оскільки ці явища є інерційними у часі, то діоди Шотткі, позбавлені їх, виявляють підвищену порівняно з діодами на основі - переходу швидкодію.
На швидкодію і частотні властивості діодів Шотткі також суттєво впливають бар’єрна ємність контакту і розподілений опір бази. Зменшення першої досягається збільшенням товщини збідненого шару, що додатково впливає на збільшення пробивної напруги діода і зменшення ймовірності небажаного тунельного ефекту на потенційному бар’єрі. Зниження другого досягається збільшенням концентрації домішок у базі діода (для поліпшення частотних властивостей застосовують n-бази, бо електрони мають рухомість вищу, аніж дірки). Якщо мінімізація ємності контакту і опору бази є процесами суперечливими (адже одночасне задовільнення цих умов вимагає відповідно зменшувати концентрацію донорних домішок і разом з тим збільшувати її), то у конструкції діодів Шотткі доцільно застосовувати двошарову базу (рис. 2.13), де n-шар низьколегований, і в ньому переважно розміщується збіднена область бар’єра Шотткі, а n+-шар – високолегований, бо саме він забезпечує мале значення розподіленого опору бази.
Рисунок 2.13 - Будова діодів Шотткі
Таким чином, будова діодів Шотткі може бути такою, як показано на рис. 2.13.
На рисунку: 1 – металевий анод; 2 – прошарок оксиду; 3 – р-області для створення запобіжного - переходу (таке «запобіжне кільце» дозволяє усунути периферійні лавинні пробої структури і через це збільшити напругу пробою до 250 В у потужних приладах); 4 – область просторового заряду (власне бар’єр Шотткі); 5 – активний шар бази; 6 – сильнолегована підкладка; 7 – омічний контакт катода.
Ще однією перевагою діодів Шотткі є менше падіння напруги на приладі у відкритому стані (рис. 2.14).
Рисунок 2.14 - Прямі гілки ВАХ:
1 – діода Шотткі; 2 – діода на основі p-n - переходу
Недоліком діодів Шотткі є більші приблизно на 3 порядки зворотні струми порівняно з діодами на основі p-n - переходу.
Потужні діоди Шотткі з площею переходу в декілька квадратних міліметрів при 
В, 
А і граничною частотою кілька сотень кГц застосовуються в перемикачах джерел живлення. Швидкодіючий бар’єр Шотткі широко використовується в ТТЛ-мікросхемотехніці.