Большая советская энциклопедия. Большая энциклопедия нефти и газа

При этом напряжении появляется обычный диффузионный ток инжекции через p-n- переход. С увеличением прямого напряжения U > U2 прямой ток будет возрастать, как и в обычных выпрямительных диодах.

При обратном напряжении U < 0 опять возникают условия для туннельного перехода электронов с заполненных уровней валентной зоны p-области на свободные уровни зоны проводимости n-области. Через диод потечёт обратный ток в направлении от n-области к p-области. Туннельный диод обладает относительно высокой проводимостью при обратном напряжении.

Таким образом, туннельный диод обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением в некотором диапазоне прямых напряжений, что позволяет использовать его для генерации и усиления колебаний, а также в переключающих схемах.

Достоинством туннельных диодов являются высокие рабочие частоты, вплоть до СВЧ, низкий уровень шумов, высокая температурная устойчивость, большая плотность тока(10 3 -10 4 А/см 2) .

Как недостаток следует отметить малую отдаваемую мощность из - за низких рабочих напряжений и сильную электрическую связь между входом и вы-ходом, что затрудняет их использование.

Разновидностью туннельных диодов являются обращенные диоды, изготовляемые на основе полупроводника с концентрациями примесей в р - и n - областях диода, меньших, чем в туннельных, но больших, чем в обычных выпрямительных диодах.

Параметры туннельных диодов

Пиковый ток Iп (от сотен микроампер – до сотен миллиампер).

Напряжение пика U п – прямое напряжение, соответствующее току Iп.

Ток впадины Iв, соответствующий напряжению Uв.

Напряжение впадины – прямое напряжение, соответствующее току Iв.

Отношение токов Iп/Iв. Для туннельных диодов из GaAs отношение Iп/Iв ≥10 , для германия равно 3-6.

Напряжение раствора Uр – прямое напряжение, соответствующее типовому току на второй восходящей ветви ВАХ, определяет возможный скачок напряжения на нагрузке при работе туннельного диода в схеме переключения.

Отрицательное дифференциальное сопротивление Rдиф=dU/dI, определяемое на середине падающего участка BAX.

Удельная емкость Сд/ Iп – отношение емкости туннельного диода к пиковому току.

Предельная резистивная частота fr – частота, на которой активная составляющая полного сопротивления диода обращается в нуль.

Резонансная частота f0 – частота, на которой реактивная составляющая полного сопротивления обращается в нуль.

Конец работы -

Эта тема принадлежит разделу:

Расчитать минимальный коэффициент усиления выходного транзистора простейшего ТТЛ вентиля

Слева ттл вентиль И не справа его передаточная характеристика... Электрическая схема ТТЛ вентиля со сложным инвертором...

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Все темы данного раздела:

Принцип работы транзистора Шоттки.
Транзисторы Шоттки отличаются от обычных биполярных транзисторов тем, что они не входят в глубокое насыщение, следовательно, в их базах в открытом состоянии накапливается мало носителей заряда, и в

Как влияет облучение на характеристики р-n перехода.
Реакция интегральных микросхем (ИМС) на ионизирующее излучение обусловлена, в первую очередь, зависимостью параметров её элементов от эффектов смещения и ионизации. В свою очередь, конкретный вид э

Масштабирование. Основные принципы
Даже при одинаковом минимальном размере нормы проектирования обычно отличаются у различных компаний и процессов. Это превращает задачу переноса существующей разработки на другой процесс в весьма тр

Принцип работы транзистора в инверсном режиме
Биполярным транзистором называется электропреобразовательный полупроводниковый прибор, имеющий в своей структуре два взаимодействующих p-n-перехода и три внешних вывода, и предназначенный, в частно

Первый и второй закон Мура.
Закон Мура - эмпирическое наблюдение, сделанное в 1964 году (через шесть лет после изобретения интегральной схемы), в процессе подготовки выступления Г. Муром (одним из основателей Intel). Он выска

Тиристор. Принцип работы

Метод измерения динамических параметров интегральных схем.
К динамическим параметрам, характеризующим свойства микросхемы в режиме переключения, относятся: время задержки сигнала при включении - интервал времени между входными и выходными импульсами

Типы конденсаторов в интегральном исполнении
Принцип действия конденсаторов основан на способности накапливать на обкладках электрические заряды при приложении между ними напряжения. Количественной мерой способности накапливать электрические

Вентильные матрицы
Структура вентильной матрицы состоитиз так называемых базисных ячеек (вентилей) и связей между ними, реализованныхна кристалле посредством канальной технологии. Ячейкисодерж

Конструктивные и тепловые ограничения при проектировании интегральных схем
Основной единицей в определении норм проектирования является минимальная ширина линии. Т.е минимальный размер на фотошаблоне, который может быть надежно перенесен на полупроводников

Модель Эберса-Молла биполярного транзистора
Передаточная модель Эберса-Молла Модель базируется на эквивалентной схеме. Расчетные формулы, объединим в систему

Способы включения биполярного транзистора.
Любая схема включения транзистора характеризуется двумя основными показателями: Коэффициент усиления по току Iвых/Iвх. Входное сопротивление Rвх=Uвх/Iвх

Полевой транзистор. Принцип действия
Различают два вида полевых транзисторов: с управляющим переходом и с изолированным затвором. Все они имеют три электрода: исток (источник носителей тока), затвор (управляющий электрод) и сток (элек

Полевой транзистор с управляющим p-n переходом
Рис. 1. Устройство полевого транзистора с управляющим p-n переходом Полевой транзистор с управляющим p-n переходом - это полевой транзистор, затвор которого изолирован (то

Биполярный транзистор. Принцип работы
Биполярный транзистор - трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзистора. Электроды подключены к трём последовательно расположенным слоям полупроводника с че

Современные системы автоматической идентификации.
Основные: Биометрические Дактилоскопические Штих-коды и чип-карты RFID (это он в основном будет спрашивать!!!) У всех недостатки в точности громоздкости

Полупроводниковые приборы с N - образными характеристиками.
S-приборы полупроводниковые приборы, действие которых основано на S-oбразной вольт-амперной характеристике, на которой есть один (АВ) или несколько участков с отрицательным сопротивлением. У полупр

Система параметров логических элементов.
Основными параметрами цифровых интегральных схем являются их быстродействие, потребляемая мощность, коэффициент объединения по входу, коэффициент разветвления по выходу, устойчивость против внешних

Полупроводниковые приборы с отрицательным сопротивлением.
Тиристор – это полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, имеющий три и более взаимодействующих выпрямляющих перехода, вольт- амперная характеристика которого имеет участок с отриц

Конструкция и принцип работы многоэмиттерного транзистора.
Многоэмиттерный транзистор (МЭТ) это биполярный транзистор, который имеет несколько эмиттерных областей. Различают МЭТ в которых эмиттерные области объединены одним внешним выводом, и МЭТ в которых

Закон Мура. Степень интеграции интегральных схем.
Зако́нМу́ра - эмпирическое наблюдение, сделанное в 1965 году (через шесть лет после изобретения интегральной схемы), в процессе подготовки выступления Гордоном Муром (одним из основателей

Многослойные полупроводниковые структуры
Реально, чтобы соблюсти оба условия, одного р-п-перехода в кристалле оказывается недостаточно, и приходится изготавливать многослойные полупроводниковые структуры, так называемые гетерост

Инжекционный вентиль. Принцип работы.
Базовый логический элемент (ЛЭ) в литературе называемый вентилем. Элементы интегрально-инжекционной логики выгодно отличаются простотой технологии и конструкции, так как состоят из биполярных транз

Расчет параметров интегрального резистора.
Все расчеты проводятся по упрощенной схеме с использованием табличных значений из справочника. Выбираем ширину базовой области для резистора: Низкоомные резисторы с номиналом R ≤ 1 к

Формула коэффициента усиления биполярного транзистора.
Одним из важнейших применений биполярного транзистора является усиление колебаний. На вход транзистора подаётся маломощный управляющийсигнал. Под действием входного переменного сигнала изменяются

Чем отличается реальная вольтамперная характеристика р-п перехода от теоретической.
Вольт- амперная характеристика p-n-перехода представляет собой зависимость тока через p-n-переход от величины и полярности приложенного напряжения. При выводе вольт- амперной характеристики можно п

Диод Шоттки (также правильно Шотки, сокращённо ДШ) - полупроводниковый диод с малым падением напряжения при прямом включении. Диоды Шоттки используют переход металл-полупроводник в качестве барьера

Как называются приборы, основанные на контакте металл-полупроводник.
Диод Шоттки (также правильно Шотки, сокращённо ДШ) - полупроводниковый диод с малым падением напряжения при прямом включении. Диоды Шоттки используют переход металл-полупроводник в

Нарисуйте схему устройства транзистора с изолированным затвором и объясните его принцип действия.
Транзисторы с изолированным затвором.Полевой транзистор с изолированным затвором – это транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика. Фи

Объясните принцип действия динистора.
Тиристоры - это общее название четырехслойных и пятислойных полупроводниковых приборов, имеющих структуру типа P-N-P-N или P-N-P-N-P. Динистор - это тиристор, который имеет только два выво

Назовите параметры тиристоров.
Тиристором называют полупроводниковый прибор с тремя (или более) p-n-переходами, вольт-амперная характеристика которого имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением и который испол

Что такое заказные и полузаказные интегральные схемы.
В отличие от стандартных интегральных схем (ИС), заказные интегральные схемы (Customer Specific Integrated Circuit - CSIC) разрабатываются в соответствии с требованиями заказчика и предназначены дл

Ависимость емкости конденсатора (МДП - процесс) от полярности подаваемого напряжения
Одним из наиболее распространенных методов изучения свойств структур металл - диэлектрик - полупроводник является метод, основанный на анализе зависимости емкости МДП-структуры CМДПот на

Зависимость емкости конденсатора (МДП - процесс) от частоты.
При экспериментальном измерении вольт-фарадных характеристик МДП-структур важное значение имеет частота измерительного сигнала ω. Это связано с тем, что процессы захвата и выброса на поверхнос

Зависимость емкости конденсатора (биполярный тех.процесс) от напряжения.
В качестве конденсаторов, т. е. пассивных элементов полупро­водниковых ИМС, чаще всего находят применение обратно-смещенные р-n переходы, возможно использование прямо-смещенных переходов. Кр

Нарисуйте график зависимости мощности потребления от частоты для КМОП-схем.
Обеспечение работы КМОП-схем в маломощном режиме Имеется несколько типовых рекомендаций, которых следует придерживаться для того, чтобы добиться работы КМОП-приборов в режиме с низким знач

Нарисуйте вертикальную структуру биполярного транзистора с диодом Шоттки.
Наибольшее распространение получили транзисторы, имеющие вертикальную структуру, в которой все выводы от областей транзистора расположены в одной плоскости на поверхности подложки Такая структура н

Принцип построения кольцевого генератора.
Кольцевые генераторы наиболее широко используют для измерения средней задержки ЛЭ в составе БИС. Эти ЛЭ имеют очень малые емкости нагрузки по сравнению с входной емкостью измерительного прибора, на

Принцип работы логического вентиля с тремя устойчивыми состояниями.
В ЛЭ КМОП очень просто реализуют элементы с тремя устойчивыми состояниями. Для этого последовательно с транзисторами инвертора включают два комплементарных транзистора VT1, VT4 (рисунок 20,а), упра

Влияние температуры на параметры биполярного транзистора.
Влияние температуры на работу биполярного транзистора обусловлено тремя физическими факторами: уменьшением потенциальных барьеров в переходах, увеличением тепловых токов переходов и увеличением коэ

Предложенный в 1958 г. японским ученым Л. Ёсаки туннельный диод изго­товляется из германия или арсенида галлия с высокой концентрацией примесей (1019- 1020 см~3), т.е. с очень малым удельным сопротивлением, в сотни или тысячи раз меньшим, чем в обычных диодах. Такие полупроводники с малым сопротивлением называют вырожденными. Электронно-дырочный переход в вырож­денном полупроводнике получается в десятки раз тоньше (10~6 см), чем в обыч­ных диодах, а потенциальный барьер примерно в два раза выше. В обычных полупроводниковых диодах высота потенциального барьера равна примерно поло­вине ширины запрещенной зоны, а в туннельных диодах она несколько больше этой ширины. Вследствие малой толщины перехода напряженность поля в нем даже при отсутствии внешнего напряжения достигает 106 В/см.

В туннельном диоде, как и в обычном, происходит диффузионное пере­мещение носителей через электронно-дырочный переход и обратный их дрейф под действием поля. Но кроме этих процессов основную роль играет туннель­ный эффект. Он состоит в том, что в соответствии с законами квантовой физики при достаточно малой толщине потенциального барьера имеется воз­можность для проникновения электронов через барьер без изменения их энергии. Такой туннельный переход электронов с энергией, меньшей высоты барьера (в электрон-вольтах), совершается в обоих направлениях, но только при условии, что по другую сторону барьера для туннелирующих электронов имеются сво­бодные уровни энергии. Подобный эффект невозможен с точки зрения класси­ческой физики, в которой электрон рассматривается как частица материи с отри­цательным зарядом, но оказывается вполне реальным в явлениях микромира, подчиняющихся законам квантовой механики, согласно которым электрон имеет двойственную природу: с одной стороны, он является частицей, а с другой сто­роны, он может проявлять себя как электромагнитная волна. Но электромаг­нитная волна может проходить через потенциальный барьер, т. е. через область электрического поля, не взаимодействуя с этим полем.

Процессы в туннельном диоде удобно рассматривать на энергетических диаграммах, показывающих уровни энергии валентной зоны и зоны проводи­мости в п- и р-областях. Вследствие возникновения контактной разности потен­циалов в n-p-переходе границы всех зон в одной из областей сдвинуты отно­сительно соответствующих зон другой области на высоту потенциального барьера, выраженную в электрон-вольтах.

На рис. 8-1 с помощью энергетических диаграмм изображено возникнове­ние туннельных токов в электронно-дырочном переходе туннельного диода. Для того чтобы не усложнять рассмотрение туннельного эффекта, диффузионный ток и ток проводимости на этом рисунке не показаны. Диаграмма рис. 8-1, а соот­ветствует отсутствию внешнего напряжения. Высота потенциального барьера взята для примера 0,8 эВ, а ширина запрещенной зоны составляет 0,6 эВ. Горизон­тальными линиями в зоне проводимости и в валентной зоне показаны энергети­ческие уровни, полностью или частично занятые электронами. В валентной зоне и зоне проводимости изображены также незаштрихованные горизонтальными линиями участки, которые соответствуют уровням энергии, не занятым электро­нами. Как видно, в зоне проводимости полупроводника n-типа и в валентной зоне полупроводника р-типа имеются занятые электронами уровни, соответствующие одинаковым энергиям. Поэтому может происходить туннельный переход электронов из области п в область р (прямой туннельный ток inp) и из области р в область п (обратный туннельный ток /обр). Эти два тока одинаковы по зна­чению, и результирующий ток равен нулю.

На рис. 8-1,6 показана диаграмма при прямом напряжении 0,1 В, за счет которого высота потенциального барьера понизилась на 0,1 эВ и составляет 0,7 эВ. В этом случае туннельный переход электронов из области п в область р усиливается, так как в области р имеются в валентной зоне свободные уровни, соответствующие таким же энергиям, как энергии уровней, занятых электронами в зоне проводимости области п. А переход электронов из валентной зоны области р в область и невозможен, так как уровни, занятью электронами в валентной зоне области р, соответствуют в области п энергетическим уровням запрещен­ной зоны. Обратный туннельный ток отсутствует, и результирующий туннельный ток достигает максимума. В промежуточных случаях, например когда ипр = 0,05 В, существуют и прямой и обратный туннельный токи, но обратный ток меньше прямого. Результирующим будет прямой ток, но он меньше максимального, получающегося при мпр = 0,1 В.

Случай, показанный на рис. 8-1, в, соответствует ипр = 0,2 В, когда высота потенциального барьера стала 0,6 эВ. При этом напряжении туннельный переход невозможен, так как уровням, занятым электронами в данной области, соответ­ствуют в другой области энергетические уровни, находящиеся в запрещенной зоне. Туннельный ток равен нулю. Он отсутствует также и при большем прямом напряжении.

Следует помнить, что при возрастании прямого напряжения увеличивается прямой диффузионный ток диода. При рассмотрен­ных значениях ипр < 0,2 В диффузионный ток гораздо меньше туннельного тока, а при ипр > 0,2 В диффузионный ток возрастает и достигает значений, характерных для прямо­го тока обычного диода.

На рис. 8-1, г рассмотрен случай, когда обратное напряжение мобр = 0,2 В. Высота потенциального барьера стала 1 эВ, и значительно увеличилось число уровней, занятых электронами в валентной зоне р-области и соответствующих свободным уровням в зоне проводимости n-области. Поэтому резко возрастает обратный туннельный ток, который получается такого же порядка, как и ток при прямом напряжении.

Как видно, при u=0 ток равен нулю. Увеличение прямого напряжения до U П В дает возрастание прямого туннельного тока до максимума I п (точка А). Дальнейшее увеличение прямого напряжения до U В В сопровождается уменьшение туннельного тока, поэтому в точке Б получается минимум тока и характеристика имеет падающий участок АБ, для которого R i <0.

После этого участка ток снова возрастает за счёт диффузионного прямого тока, характеристика показана штриховой линией. Обратный ток получается такой же, как прямой, т.е. во много раз больше, нежели у обычных диодов.

Вольт-амперная характеристика туннельного диода (рис. 8-2) поясняет рас­смотренные диаграммы. Как видно, при и = 0 ток равен нулю. Увеличение прямого напряжения до 0,1 В дает возрастание прямого туннельного тока до максимума (точка А). Дальнейшее увеличение прямого напряжения до 0,2 В сопровождается уменьшением туннельного тока. Поэтому в точке Б получается минимум тока и характеристика имеет падающий участок АБ, для которого характерно отрицательное сопротивление переменному току

Rt = Au/Ai<0. (8-1)

После этого участка ток снова возрастает за счет диффузионного прямого тока, характеристика которого на рис. 8-2 показана штриховой линией. Обратный ток получается такой же, как прямой, т. е. во много раз больше, нежели у обычных диодов.

Основные параметры туннельных диодов - это ток максимума /тах, ток минимума /min (часто указывается отношение 1тлх/1т-1П, которое бывает равно нескольким единицам), напряжение максимума Uх, напряжение минимума U2, наибольшее напряжение L3, соответствующее току /тах на второй восходящей части характеристики (участок БВ). Разность AU = V"3 - U\ называется напря­жением переключения или напряжением скачка. Токи в современных туннельных диодах составляют единицы миллиампер, напряжения - десятые доли вольта. К параметрам также относятся отрицательное дифференциальное сопротивление диода (обычно несколько десятков ом), общая емкость диода (единицы или десятки пикофарад), время переключения тпк и максимальная или критическая частота /тах.

Включая туннельный диод в различные схемы, можно его отрицательным сопротивлением скомпенсировать положительное активное сопротивление (если рабочая точка будет находиться на участке АБ) и получить режим усиления или генерации колебаний. Например, в обычном колебательном контуре за счет потерь всегда имеется затухание. Но с по­мощью отрицательного сопротивления туннельного диода можно уничтожить потери в контуре и получить в нем незатухающие колебания. Простейшая схема генератора колебаний с туннельным диодом показана на рис. 8-3.

Работу такого генератора можно объяснить следующим образом. При вклю­чении питания в контуре LC возникают свободные колебания. Без туннельного диода они затухли бы. Пусть напряжение Е выбрано таким, чтобы диод работал на падающем участке характеристики, и пусть во время одного полупериода переменное напряжение контура имеет полярность, показанную на рисунке зна­ками « + » и « -» без кружков (знаки « + » и « -» в кружках относятся к по­стоянным напряжениям). Напряжение от контура подается на диод и является для него обратным. Поэтому прямое напряжение на диоде уменьшается. Но за счет работы диода на падающем участке ток возрастает, т. е. пройдет допол­нительный импульс тока, который добавит энергию в контур. Если эта допол­нительная энергия достаточна для компенсации потерь, то колебания в контуре станут незатухающими.

Туннельный переход электронов сквозь потенциальный барьер происходит в чрезвычайно малые промежутки времени: 10~12 - 10~14с, т.е. 10~3- 10~5 не. Поэтому туннельные диоды хорошо работают на сверхвысоких частотах. Напри­мер, можно генерировать и усиливать колебания с частотой до десятков и даже сотен гигагерц. Следует заметить, что частотный предел работы туннельных диодов практически определяется не инерционностью туннельного эффекта, а емкостью самого диода, индуктивностью его выводов и его активным сопро­тивлением.

Принцип усиления с туннельным диодом показан на рис. 8-4. Для получения режима усиления необходимо иметь строго определенные значения Е и RH. Сопро­тивление RH должно быть немного меньше абсолютного значения отрицатель­ного сопротивлений диода. Тогда при отсутствии входного напряжения исходная рабочая точка Т может быть установлена на середине падающего участка (эта точка является пересечением линии нагрузки с характеристикой диода). При подаче входного напряжения с амплитудой Umm линия нагрузки будет совер­шать колебания, перемещаясь параллельно самой себе. Крайние ее положения показаны штриховыми линиями. Они определяют конечные точки рабочего участка АБ. Проектируя эти точки на ось напряжений, получаем амплитуду выходного напряжения UmBbn, которое оказывается значительно больше входного. Особенностью усилителя на туннельном диоде является отсутствие отдельных входной и выходной цепей, что создает некоторые трудности при осуществлении схем с несколькими каскадами усиления. Усилители на туннельных диодах могут давать значительное усиление при невысоком уровне шумов и работают устойчиво.

Туннельный диод используется также в качестве быстродействующего пе­реключателя, причем время переключения может быть около 10"9 с, т. е. около 1 не, и даже меньше. Схема работы туннельного диода в импульсном режиме в простейшем случае такая же, как на рис. 8-4, но только входное напряжение представ­ляет собой импульсы, а сопротивление RH должно быть несколько больше абсолютного значения отрицательного сопротивления диода. На рис. 8-5 показан импульсный режим работы туннельного диода. Напряжение питания Е выбрано таким, что при от­сутствии входного импульса диод работает в точке А и ток получается макси­мальным (/тах), т. е. диод открыт. При подаче положительного импульса вход­ного напряжения прямое напряжение на диоде увеличивается и режим работы диода скачком переходит в точку Б. Ток уменьшается до минимального значе­ния /min, что условно можно считать закрытым состоянием диода. А если устано­вить постоянное напряжение £, соответствующее точке Б, то можно переводить диод в точку А подачей импульсов напряжения отрицательной полярности.

Туннельные диоды могут применяться в технике СВЧ, а также во многих импульсных радиоэлектронных устройствах, рассчитанных на высокое быстродей­ствие. Помимо весьма малой инерционности достоинством туннельных диодов является их стойкость к ионизирующему излучению. Малое потребление энергии от источника питания также во многих случаях следует считать достоинством этих диодов. К сожалению, эксплуатация туннельных диодов выявила существен­ный их недостаток. Он заключается в том, что эти диоды подвержены значи­тельному старению, т. е. с течением времени их характеристики и параметры заметно изменяются, что может привести к нарушению нормальной работы того или иного устройства. Надо полагать, что в дальнейшем этот недостаток удастся свести к минимуму.

Если для диода применить полупроводник с концентрацией примеси около 1018 см"3, то при прямом напряжении туннельный ток практически отсутствует и в вольт-амперной характеристике нет падающего участка (рис. 8-6). Зато при обратном напряжении туннельный ток по-прежнему значителен, и поэтому такой диод хорошо пропускает ток в обратном направлении. Подобные диоды, полу­чившие название обращенных, могут работать в качестве детекторов на более высоких частотах, нежели обычные диоды.

Все туннельные диоды имеют весьма малые размеры. Например, они могут быть оформлены в цилиндрических герметичных металлостеклянных корпусах диаметром 3 - 4 мм и высотой около 2 мм. Выводы у них гибкие ленточные. Масса не превышает 0,15 г.

В настоящее время разрабатываются новые типы туннельных диодов, иссле­дуются новые полупроводниковые материалы для них и вопросы замедления старения.

Полупроводниковые диоды.

П.п.диоды – это электропреобразовательный п.п.прибор, с одним выпрямляющим электрическим p-n-переходом и двумя выводами.

Биполярный транзистор.

Биполярные транзисторы – п.п.приборы имеющие 2-а p-n-перехода, используются для усиления, генерации элек-их сигналов.

Полевой транзистор.

Полевые транзисторы – п.п.приборы, в к-ых используются п.п.материалы с различными типами электропроводимостями и к-ые образуют 1-ин p-n-переход. Применяются в качестве усилителей и генераторов на высоких частотах.

Тиристоры.

Тиристоры – п.п.приборы имеющие 3-и или более p-n-переходов и работающих в 2-х устойчивых состояниях (открытом или закрытом). Широко используется в качестве быстродействующих переключателей.

Полупр-ые фотоэлектрические приборы.

П.п.ф.э.приборы – это приборы, в к-ых используется эффект взаимодействия оптического излучения и носителей зарядов. Широко используются в сис-мах автоматики, контр.-измерительн. устр-вах, в сис-мах оптоволоконной техники, в качестве элементов солнечных батарей.

Полупр-ые микросхемы.

П.п.микросхемы – микроэлектронные устр-ва (изделия), предназначенные для преобразования электр. сигналов, все элементы и межэлементные соединения к-ых, выполнены в объёме и на поверхности п.п.кристалла.

Комбинированные неуправляемые приборы.

Комбинированные приборы – представлен различными п.п.приборами объединённые в один корпус. Широко используется в сис-мах автоматики, связи, вычислительной техники.

Диоды.

Выпрямительные диоды – в качестве выпрямления элек. перехода, используется электронно-дырочный переход (p-n-переход).

Полупроводниковые диоды: диоды плоскостные; пл.точечные диоды.

Диоды плоскостные: выпрямительные д., стабилитроны (опорный), туннельный д., варикап, светодиод, обращённый диод, фотодиод, фотоэлементы; плоскостные диоды: выпрямительный диод, сверхчастотные диоды; спец. - диод Шотки.

Стабилитроны. При рассмотрении вольт-амперной характеристики полупроводникового диода видно, что в области электрического пробоя имеется участок, который может быть использован для стабилизации напряжения. Такой участок у кремниевых плоскостных диодов соответствует изменениям обратного тока в широких пределах. При этом до наступления пробоя обратный ток очень мал, а в режиме пробоя, в данном случае в режиме стабилизации, он становится такого же порядка, как и прямой ток. Стабилитроны изготавливаются исключительно из кремния, их также еще называют опорными диодами, т. к. в ряде случаев получаемое от них стабильное напряжение используется в качестве опорного. На рисунке показана ВАХ стабилитрона.

Рис. 6 Вольт-амперная характеристика стабилитрона Из рисунка видно, что при обратном токе напряжение стабилизации меняется незначительно. Стабилитрон работает при обратном напряжении . Принцип работы поясняет простейшая схема включения стабилитрона. Эта схема называется параметрическим стабилизатором напряжения и несмотря на свою простоту используется довольно широко. Такая схема позволяет получить ток в нагрузке в несколько миллиампер.

Рис. 7 Схема включения стабилитрона Нагрузка включена параллельно стабилитрону, поэтому в режиме стабилизации, когда напряжение на стабилитроне постоянно, такое же напряжение будет и на нагрузке. Все изменение входного напряжения будет поглощаться резистором R огр, которое еще называют балластным. Сопротивление этого резика должно быть определенного значения и его обычно рассчитывают для средней точки Т (см. рис. 6). Если входное напряжение будет изменяться, то будет изменяться ток стабилитрона, но напряжение на нем, следовательно и на нагрузке, будет оставаться постоянным. Следует отметить, что если имеют место пульсации входного напряжения, то стабилитрон неплохо сглаживает их. Это объясняется тем, что стабилитрон обладает малым сопротивлением переменному току. Это сопротивление обычно во много раз меньше сопротивления R огр, поэтому основная часть пульсаций поглощается в этом резике, а на стабилитроне и в нагрузке выделяется лишь незначительная часть их. Стабисторы. Это полупроводниковые диоды, аналоги стабилитронов, но в отличие от последних у стабисторов используется не обратное напряжение, а прямое. Значение этого напряжение мало зависит от тока в некоторых пределах. Напряжение стабилизации стабисторов обычно не более 2 вольт, чаще всего 0,7 В при токе до нескольких десятков мА. Особенность стабисторов - отрицательный температурный коэффициент напряжения, т. е. напряжение стабилизации с повышением температуры уменьшается. Поэтому стабисторы применяют также в качестве термокомпенсирующих элементов, соединяя их с обычными стабилитронами, имеющими положительный ТКН. Варикапы. Эти плоскостные диоды, иначе называемые параметрическими, работают при обратном напряжении, от которого зависит барьерная емкость. Другими словами, варикап - это кондер переменной емкости, управляемый не механически, а электрически. Варикапы применяются главным образом для настройки колебательныъх контуров, а также в некоторых спешиал схемах, например, в так называемых параметрических усилителях. Вот простейшая схемка включения варикапа в колебательный контур:

Рис. 8 Схема включения варикапа в колебательный контур в качестве кондера переменной емкости Изменяя с помощью потенциометра R обратное напряжение на варикапе, можно менять резонансную частоту контура. Добавочный резистор R1 с большим сопротивлением включен для того, чтобы добротность контура не снижалась заметно от шунтирующего влияния потенциометра R. Кондер C р является разделительным. Без него варикап был бы для постоянного напряжения замкнут накоротко катушкой L. В качестве варикапов можно использовать стабилитроны с напряжением ниже напряжения стабилизации, когда обратный ток еще очень мал, а обратное сопроивление очень велико. Мы рассмотрели основные типы полупроводниковых диодов. Существуют еще и туннельные диоды, диоды Ганна, фотодиоды и пр. О них будет рассказано в главе о специальных полупроводниковых приборах.

Биполярные транзисторы

П/п прибор с 2-мя и более переходами и с 3-мя и более выводами

Различают транзисторы проводимости:

n-p-n, p-n-p

Режимы работы БТ

1.)Отсечка – оба перехода закрыты, обратно смещены

2.)Насыщения – оба перехода смещены прямо

3.)Активный режим – эммитеры прямо, колектор обратно

4)Активно инверсный – эммитеры обратно, колектор прямо

Активный режим. Физика работы.

Iк=aIэ+Iко Iко-обратный ток колектора,a-коэффициент передачи тока эмитера

Среднее значение выпрямленного напряжения при активной нагрузке (без учета потерь) где U2 - действующее значение напряжения фазы вторичной обмотки трансформатора;- постоянное напряжение при=0. Среднее значение выпрямленного напряжения при активно-индуктивной нагрузкеЗависимости, выраженные формулами (1) и (2), называются регулировочными характеристиками. Максимальное обратное напряжение на тиристореМаксимальное прямое напряжение на тиристоре при активной нагрузкепри активно-индуктивнойВ лабораторном стенде смонтирована двухполупериодная схема выпрямителя на тиристорах с выводом нулевой точки трансформатора. Изменение активного сопротивления нагрузки осуществляется переключателем В3. Включение активной и активно-индуктивной нагрузок осуществляется переключателем В2. Величины среднего значения выпрямленного напряжения и выпрямленного тока измеряются приборами, расположенными на передней панели. Для управления тиристорами применена импульсно-фазовая схема.

Механизм работы и классификация МДП - транзисторов.

МДП - транзисторы отличаются от биполярных транзисторов, поскольку механизм их работы основан на перемещении только основных носителей заряда. В связи с этим их называют униполярными. Эти транзисторы имеют следующие преимущества перед биполярными: малый уровень шумов, большая стойкость к радиационным излучениям, устойчивость от перегрузок по току, высокое входное сопротивление. К недостаткам следует отнести меньшее быстродействие, худшую технологическую воспроизводимость параметров и большую временную нестабильность.

МДП - транзистор имеет четыре электрода, которые называют истоком, стоком, затвором и подложкой (рис. 1, а).

Рис.1. МДП - транзистор с индуцированным каналом p-типа:

Принцип действия МДП-транзистора основан на эффекте изменения электропроводности поверхностного слоя полупроводника между стоком и истоком под действием напряжения, приложенного к управляющему электроду (затвору), отделенному от поверхности полупроводника тонким слоем диэлектрика. Участок полупроводника с изменяющейся электропроводностью называют каналом и изображают на чертежах в виде скрещенных тонких линий.

Существуют две разновидности МДП - транзисторов: с встроенным каналом и с индуцированным каналом. В МДП - транзисторе с индуцированным каналом (рис. 1, а и рис. 2, а) при нулевом напряжении на затворе канал отсутствует.

Рис. 2. МДП - транзистор с индуцированным каналом n-типа:

а – упрощенная конструкция; б – условное обозначение.

Если увеличивать напряжение на затворе (по модулю), то при некотором значении напряжения затвор - исток U0, называемом пороговым напряжением, на поверхности полупроводника будет индуцироваться инверсный слой, электропроводность которого совпадает с электропроводностью истока и стока. В результате образования этого слоя, области стока и истока оказываются соединенными тонким токопроводящим каналом, и во внешней цепи возникает ток.

Структура МДП - транзистора с встроенным каналом такова, что создание канала в тонком приповерхностном слое полупроводника предусматривается самой технологией производства. Поэтому конструкция такого транзистора будет отличаться от конструкций, представленных на рис. 1, а и рис. 2, а, изображением нижней границы канала сплошной линией. Электропроводность канала обязательно совпадает с электропроводностью стока и истока. Поскольку электропроводность подложки обратна электропроводности канала, области стока, истока и канала отделены от подложки p-n-переходом. Ток в канале такого транзистора может возникать и при нулевом смещении на затворе.

Исток и сток в принципе обратимы, и их можно менять местами при включении транзистора в схему. В этом случае при симметричной структуре транзистора его параметры сохраняются, а при несимметричной структуре (сток и исток могут различаться формой, площадями) они будут отличаться.

В связи с тем, что до последнего времени наибольшее применение в цифровых ИМС получили МДП - транзисторы с индуцированным каналом, дальнейшее изложение будет относиться к транзисторам этого типа.

По электропроводности канала различают p-канальные и n-канальные МДП - транзисторы. Упрощенная конструкция этих приборов показана на рис. 1, а и рис. 2, а, а условное обозначение на электрических схемах - на рис. 1, б и рис. 2, б.

Существует классификация МДП - транзисторов по конструктивно-технологическим признакам (чаще по виду материала затвора) (см. §2.3).

Интегральные микросхемы, содержащие одновременно p-канальные и n-канальные МДП - транзисторы, называют комплементарными (сокращенно КМДП - ИМС). КМДП - ИМС отличаются высокой помехоустойчивостью, малой потребляемой мощностью, высоким быстродействием. Эти преимущества, однако, достигаются за счет более сложной технологии с меньшим выходом годных схем.

Основные параметры

Чем же объясняются такие замечательные свойства туннельного диода? Как уже подсказывает само название этого прибора, в основе его действия лежит хорошо известный а квантовой механике туннельный эффект . Чтобы понять сущность этого эффекта, рассмотрим простейший пример.

Если на некотором расстоянии от куска металла, назовем его катодом, расположить пластинку-анод (рис. 1) и присоединить их к батарее Б так, чтобы положительный полюс последней был подключен к аноду, а отрицательный к катоду, то во внешней цепи потечет электрический ток, который зарегистрирует включенный в цепь гальванометр Г. Это явление уже давно хорошо известно в физике и технике. Оно называется холодной или автоэлектронной эмиссией .

Рис. 1. Модель вакуумного диода с холодной эмиссией.

При комнатной температуре над поверхностью металла всегда имеется определенное количество свободных электронов, которые как бы «испаряются»из металла, образуя так называемое электронное облако. Эти электроны смогли «выйти» из металла только потому, что энергия их теплового движения оказалась больше энергии, обусловленной силами, удерживающими электрон в металле. Работа, которую электрон должен совершить, чтобы преодолеть эти силы, называется работой выхода . Для разных металлов величина работы выхода различна.

Внешнее электрическое поле между анодом и катодом уменьшает величину работы выхода; поэтому с ростом напряжения батареи при постоянном расстоянии между катодам и анодом ток во внешней цели возрастает.

Какой же должна быть напряженность поля, чтобы ток холодной эмиссии во внешней цепи достиг максимального значения? Очевидно, это может произойти при такой напряженности поля, когда работа выхода обратится в нуль. Физики подсчитали, что для вольфрама, например, эта напряженность поля E=U/t=200 000 000 в/см, т. е. если расстояние между анодом и катодом сделать равным 1 см, то батарея должна иметь напряжение 200 000 000 в. Если же расстояние сделать равным 1 мк (0,0001 см), то напряжение должно быть 20 000 в. Отсюда следует, что даже в последнем случае практическое осуществление подобного прибора весьма затруднительно.

Однако экспериментальная проверка доказала, что для вольфрамового катода достаточно большие токи удается получить уже при напряженности поля порядка 10 6 в/см, т. е. при расстоянии в 1 мк достаточно иметь батарею напряжением 100 в.

Столь сильные расхождения между первоначально предложенной теорией и опытом удалось объяснить с помощью туннельного эффекта. Дело в том, что силы, препятствующие выходу электрона из металла, образуют у его поверхности так называемый потенциальный барьер (рис. 2), для преодоления которого согласно классической теории электрон должен сначала «подняться» на него, затратив работу, равную работе выхода, а затем уже свободно перемещаться от катода к аноду. Согласно же квантовой механике электрону нет необходимости «подниматься» на барьер; при определенных условиях он может, не затрачивая энергии, пройти «сквозь» него, как через туннель.

Рис 2. Форма потенциального барьера у катода на рис. 1.: 1 - классический способ преодоления потенциального барьера, 2 - туннельный переход электрона.

Такой механизм «выхода» из металла связан с волновым представлением о движении электрона в твердом теле. Здесь имеется довольно близкая аналогия с прохождением света через непрозрачную (в обычном понимании) металлическую пластинку. Если пластинка достаточно тонка, то часть светового потока обязательно, пройдет через нее и может быть обнаружена по другую сторону пластинки. Точно так же и потенциальный барьер может оказаться достаточно «прозрачным» для электронов, «выходящих» с поверхности данного тела. Только в этом случае ширина барьера, которая определяет его «прозрачность», в очень сильной степени зависит от величины напряженности электрического поля.

В квантовой механике прозрачность барьера описывается математической функцией, которая показывает, какова вероятность туннельного перехода электрона, обладающего данной энергией. С ростом напряженности электрического поля вероятность туннельного перехода возрастает, и потенциальный барьер для электронов становится как бы «прозрачнее».

Туннельный эффект может также наблюдаться и между двумя полупроводниками. Например, критическая напряженность поля для германия, при которой появляется значительный туннельный ток, составляет примерно 10 5 в/см. Таким образом, для того чтобы сделать полупроводниковый прибор, работающий на этом принципе, достаточно эффективным при сравнительно низких напряжениях, необходимо обеспечить достаточно малое расстояние между соответствующими его электродами.

В отличие от рассмотренного выше примера с металлами, областью раздела между полупроводниковым «катодом» и «анодом» является не вакуум, а так называемый обедненный слой , который образуется на границе двух полупроводников с различными электрическими свойствами. Такое соединение полупроводников в физике называют p-n-переходом; он имеется у всех известных в настоящее время полупроводниковых диодов и транзисторов. Напомним, что буква р (от латинского слова positive - положительный) означает, что ток в данном полупроводнике переносится положительными зарядами (дырками), а буква п (от латинского слова negative - отрицательный) - отрицательными (электродами).

На границе раздела двух полупроводников с различным типом проводимости образуется очень тонкий слой, обедненный носителями тока; в нем нет ни дырок, ни электронов. Этот слой, грубо говоря, играет ту же роль, что и расстояние между анодом и катодом в рассмотренном выше примере. Но в отличие от этого примера в обедненном слое всегда имеется «собственная», внутренняя напряженность электрического поля, обусловленная наличием равновесной разности потенциалов между двумя областями полупроводника с различными типами проводимости. Это разность потенциалов как бы «удерживает» электроны с одной стороны р-п-перехода и дырки с другой стороны от их взаимного перемещения, которое неизбежно привело бы к возникновению тока во внешней цепи. Поэтому, когда к р-п-переходу не приложено внешнее напряжение, в нем устанавливается равновесное состояние, при котором ток во внешней цепи равен нулю.

Нарушить равновесное состояние р-п-перехода можно не только за счет подключения внешней батареи, но и с помощью любого вида облучения (светового, теплового или ядерного). При этом разность потенциалов между полупроводниками уменьшается и возникает встречный поток дырок и электронов, вызывающий появление тока во внешней цепи. На этом принципе, в частности, работают хорошо известные фотолюбителям фотоэкспонометры, в которых в зависимости от освещенности изменяется величина напряжения на р-n-переходе, отмечаемая милливольтметром во внешней цепи. Очевидно, что максимальное напряжение, которое может показать милливольтметр при (наибольшей освещенности, не может превышать равновесной разности потенциалов, обычно составляющей 0,1-0,7 в.

Равновесная разность потенциалов и ширина обедненного слоя зависят от концентрации дырок и электронов по обе стороны от границы раздела полупроводников типов р и п: чем больше концентрация, тем выше равновесная разность потенциалов и уже обедненный слой. Концентрация электронов и дырок определяется концентрацией, введенной в полупроводник в процессе изготовления р-n-перехода примеси. Для того чтобы полупроводник имел определенную проводимость (электронную или дырочную), в него вводят соответствующие примеси. Так, например, чтобы германий и кремний имели электронную проводимость, в, них вводят сурьму, мышьяк или фосфор. Элементы, сообщающие полупроводнику электронную проводимость, называются донорами . Для придания же полупроводнику дырочной проводимости обычно используют индий, галий, бор. Эти элементы называют акцепторами .

Наиболее распространенным способом изготовления р-n-переходов является метод вплавления. Сущность его сводится к тому, что на поверхность пластинки германия, например электронного типа, толщиной 0,1-0,5 мм наносится капля индия При температуре порядка 500-600° С происходит сплавление индия с германием, в результате которого на пластине германия образуется капля сплава индий-германий. При последующем охлаждении кристаллизующийся из расплава германий захватывает атомы индия и приобретает дырочную проводимость. На границе этого рекристаллизованного слоя типа р с исходным германием типа п образуется р-n-переход.

У обычных полупроводниковых диодов и транзисторов, широко используемых в современной электронной аппаратуре, концентрация электронов и дырок редко превышает 10 17 в 1 см 3 (обычно 10 14 -10 16 в 1 см 3). При этом равновесная разность потенциалов обычно составляет 0,2-0,3 в, а ширина обедненного слоя несколько микрон.

Как уже было отмечено раньше, для того чтобы в р-п-переходе мог наблюдаться туннельный эффект, необходимо обеспечить достаточно высокую напряженность электрического ноля на границе раздела двух полупроводников. Для этого нужно повысить равновесную разность потенциалов к сделать по возможности уже обедненный слой. Эти два требования можно удовлетворить одновременно, если повысить концентрацию электронов и дырок по обе стороны от границы раздела.

Поэтому в германиевых туннельных диодах концентрация электронов и дырок достигает 10 19 -10 20 в 1 см 3 . Такие полупроводники называются вырожденными, а их свойства становятся очень близки к металлам. Ширина обедненного слоя в таком р-n-переходе оказывается порядка 0,01 мк и, следовательно, только за счет равновесной разности потенциалов, которая в данном случае составляет 0,6-0,7 в, напряженность поля в р-п-переходе может достигать 5*10 5 -7*10 5 B/см. Через такой узкий р-n-переход даже без внешнего смещения должен протекать значительный туннельный ток!

Однако этого не произойдет, потому что в отличие от схемы на рис. 1 в р-n-переходе появится туннельный ток не только из области р а область п, но и направленный навстречу ему ток из области п в область р. Поскольку же эти токи равны, результирующий ток во внешней цепи будет равен нулю.

Такое равновесие будет иметь место до тех пор, пока мы каким-либо способом не «заставим» одну из составляющих токов уменьшиться по сравнению с другой. Это можно легко сделать с помощью батареи смещения. Если подключить батарею Б так, как это показано на рис. 3,а, т. е. положительным полюсом к области р, а отрицательным к области п, то поток электронов из п в р увеличится, а из р в п уменьшится. В итоге появится результирующий ток Iо, который будет направлен во внешней цепи справа налево. Такое включение батареи соответствует прямому смещению в р-n-переходе. Если же изменить полярность источника на обратную, как показано на рис. 3,б, то поток электронов из п в р уменьшится, а из р в п увеличится и результирующий ток изменит свое направление. Такое включение батареи соответствует обратному смещению в р-п-переходе.

Рис. 3. Модель p-n-перехода. а - прямое смещение; б - обратное смещение.

Рассмотренный нами полупроводниковый прибор получил название туннельного диода , поскольку по своей конструкции (два электрода) он совершенно аналогичен хорошо известным и широко используемым полупроводниковым диодам. Однако принцип действия этих двух приборов и их характеристики существенно различны.

В обычных полупроводниковых диодах и транзисторах электрон, для того чтобы попасть из области п в область р (и наоборот), должен «взбираться» на потенциальный барьер, затрачивая при этом значительную часть своей тепловой энергии, так как большая ширина обедненного слоя не позволяет ему проделать тот же путь за счет туннельного перехода. Поэтому в этих приборах прямой ток нарастает довольно вяло в интервале напряжений от 0 до 0,1-0,2 в, так как при комнатной температуре в полупроводнике оказывается слишком мало свободных электронов с энергией, достаточной Для преодоления потенциального барьера.

На рис. 4 для сравнения показаны вольт-амперные характеристики обычного полупроводникового (кривая /) и туннельного (кривая 2) диодов. В отличие от обычного у туннельного диода ток при небольших напряжениях в прямом и обратном направлениях возрастает очень резко. Это связано с тем, что согласно законам квантовой механики при туннельном переходе электрон нe расходует своей энергии и поэтому может совершать такие переходы даже при температуре, близкой к абсолютному нулю (-273С). При таких температурах обычные полупроводниковые диоды и транзисторы вообще не будут работать, так как основным фактором, заставляющим электроны в этих приборах перемещаться из одной области полупроводника в другую, является энергия теплового движения. Это обстоятельство и объясняет тот факт, что туннельные -диоды работают в гораздо более широком диапазоне температур, чем обычные полупроводниковые приборы.

Рис. 4. Вольт-амперные характеристики: 1 - обычного полупроводникового диода; 2 - туннельного диода.

Поскольку электронов, совершающих туннельный переход, в вырожденном полупроводнике очень много, величина тока при малых прямых и обратных смещениях зависит лишь от разности встречных потоков, интенсивность которых регулируется батареей смещения, выполняющей как бы роль клапана.

В отличие от тока при обратных смещениях туннельный ток в прямом направлении достигает некоторого максимального значения Iмакс при напряжении U 1 а затем начинает довольно резко убывать до некоторого минимального значения Iмин. Это связано с тем, что с ростом напряжения в прямом направлении уменьшается число электронов, способных совершить туннельный переход. При напряжении U 2 число этих электронов становится равным нулю и туннельный ток также должен был бы обратиться в нуль. Но, как следует из рис. 4, при напряжении U 2 ток достигает некоторого минимального значения Iмин, а затем начинает довольно резко возрастать. Восходящие ветви характеристик для обоих рассматриваемых диодов совпадут, когда напряжение достигнет значения U 2 . В этом нет ничего удивительного, потому что, начиная с этого напряжения, когда прекращается туннельный ток, механизм прохождения электронов через р-n-переход в обоих диодах становится одинаковым, так как он связан с тепловым «перебросом» электронов через потенциальный барьер. Эта причина отчасти объясняет наличие тока Iмин при напряжении U 2 .

В обратном направлении ток обычного диода чрезвычайно мал, так как высота потенциального барьера в этом случае оказывается больше равновесной и составляет единицы микроампер. В связи с этим его обратное сопротивление очень велико (порядка нескольких мегом). У туннельного же диода обратный ток с повышением напряжения резко возрастает и уже при напряжениях порядка десятых долей вольта может составлять несколько десятков миллиампер. Поэтому его сопротивление в обратном направлении составляет единицы ом.

Основное преимущество туннельного диода перед известными полупроводниковыми приборами заключается в его чрезвычайно высоком частотном пределе, до которого он может быть использован в различных радиотехнических схемах. Эта его особенность связана с механизмом прохождения электрона через узкий р-п-переход и объясняется следующими причинами. Туннельный переход электрона происходит практически мгновенно, со скоростью, близкой к скорости света (время перехода составляет 10 -13 -10 -14 сек).

Следующая причина, обусловливающая малую инерционность туннельного диода, связана с характером движения электрона в однородной области полупроводника после прохождения «сквозь» потенциальный барьер.

Рассмотрим это более подробно. В обычных полупроводниковых диодах электрон, покинувший полупроводник типа п, попадает в область полупроводника типа р, где он оказывается как бы «чужим» в окружении большого числа положительных зарядов - дырок. В физике такие электроны называют неосновными носителями заряда в отличие от основных носителей, каковыми являются дырки в области р или электроны в области п. Особенность движения неосновных носителей в полупроводниках заключается в том, что они перемещаются со скоростью диффузии, т. е. очень медленно. С этой же скоростью происходит и передача электрического сигнала. Классическим примером диффузионного движения может служить распространение краски в стакане воды. Хорошо известно, что требуется довольно большое время, чтобы молекулы краски под действием теплового движения равномерно распределились во всем объеме жидкости. Примерно по тем же законам происходит и распространение неосновных носителей в объеме полупроводника. Это обстоятельство является определяющим при оценке инерционности обычных полупроводниковых диодов и транзисторов. По этой причине наиболее высокочастотные диоды и транзисторы, в которых используется только диффузионный механизм передачи тока, могут работать до частот порядка нескольких десятков мегагерц.

Совершенно иначе обстоит дело в туннельном диоде. Здесь электрон, покидающий полупроводник типа n, попадает в область р как бы преобразованным в положительный заряд, т. е. дырку. Таким образом, все электроны, совершившие туннельный переход из области п в область р, становятся основными носителями и в области р.

Известно, что передача электрического сигнала с помощью основных для данного полупроводника носителей заряда происходит со скоростью света. Наиболее ярким подтверждением этого является прохождение тока через металлический проводник, в котором электроны, поступающие из батареи смещения, служат основными носителями. Поэтому туннельный диод является прибором практически безынерционным.

Как мы увидим дальше, частотный предел применимости туннельного диода ограничивается лишь наличием таких параметров, как емкость р-п-перехода и сопротивление потерь, обусловленное объемным сопротивлением материала и выводящих проводников.

Эти параметры присущи любому туннельному диоду, и поэтому создание более высокочастотных образцов сводится в основном к разработке наиболее совершенной конструкции и поискам соответствующих полупроводниковых материалов, использование которых позволило бы свести к минимуму емкость перехода и сопротивление потерь.

Следует отметить, что на характеристики диффузионного движения сильное влияние оказывает ядерное облучение. Поэтому параметры обычных диодов и транзисторов, в которых указанный механизм движения является определяющим их свойства, существенно изменяются уже при незначительных дозах радиации. Туннельные же диоды практически мало чувствительны к ядерному облучению.

Одной из разновидностей туннельного диода является обращенный диод, который имеет вольт-амперную характеристику, совпадающую с туннельным диодом

Высокая крутизна характеристики в обратном направлении позволяет использовать обращенные диоды для детектирования переменных сигналов напряжением в несколько милливольт. Детектировать столь малые напряжения с помощью обычных диодов практически невозможно, так как в указанном интервале напряжений кривизна их характеристики оказывается недостаточной для эффективного детектирования.

На рис. 5.1а приведена вольт-амперная характеристика туннельного диода. Особенность этой характеристики заключается в следующем. В области обратных напряжений обратный ток растет очень быстро с повышением напряжения, т. е. туннельный диод обладает весьма малым обратным дифференциальным сопротивлением. В области прямых напряжений с увеличением напряжения прямой ток сначала растет до пикового значения при напряжении в несколько десятков милливольт, а затем начинает уменьшаться (участок АВ, в пределах которого туннельный диод обладает отрицательной проводимостью. Ток спадает до минимального значения I2 при напряжении порядка нескольких сотен миливольт, в дальнейшем прямой ток вновь начинает увеличиваться с ростом напряжения.

Заштрихованная область вольт-амперной характеристики (рис.5.1 а) соответствует так называемому избыточному току туннельного диода. На этом участке ток туннельного диода определяется суммой двух токов: прямым туннельным током и током диффузии. Однако многочисленные экспериментальные исследования показали, что ток I 2 реального туннельного диода существенно больше тока I 2 идеализированного туннельного диода. Разность этих токов называют избыточным током. Установлено, что он в основном зависит от концентрации технологически неконтролируемых примесей и степени легирования исходного материала, но окончательно природа избыточного тока неясна.

Дифференциальная проводимость G при изменении смещения от 0 до U 3 дважды (в точках, соответствующих напряжениям U 1 и U 2) обращается в нуль, т. е. туннельный диод способен дважды разорвать внешнюю электрическую цепь, превращаясь из пассивного элемента в активный и наоборот. Это обстоятельство привело к широкому применению туннельных диодов в импульсной технике.

Ток, протекающий через туннельный диод, содержит пять составляющих:

Туннельный ток , обусловленный туннельным переходом электронов из валентной зоны p-области в зону проводимости n-области;

Туннельный ток , обусловленный туннельным переходом электронов из зоны проводимости n-области в валентную зону р-области;

Дрейфовый ток неосновных носителей обеих областей через р-п переход I др;

Диффузионный ток основных носителей обеих областей через р-n переход I диф;

Так называемый избыточный ток, который можно рассматривать как частный случай тока - туннельного перехода носителей с использованием разрешенных (примесных или дислокационных) уровней в запрещенной зоне.

Таким образом, результирующий ток через переход

а) б)

в)

Рис. 5.1. Характеристики туннельного диода: а), в) вольт-амперные; б) зависимость проводимости диода от напряжения

Подчеркнем различие между туннельными токами сквозь барьер и дрейфовым и диффузионным токами через барьер; в первом случае электроны переходят из валентной зоны одной области в зону проводимости другой области или в обратном направлении; во втором случае электроны (или дырки) переходят из зоны проводимости (валентной) одной области в ту же самую зону другой области. На рис. 5.1 в вольт-амперная характеристика туннельного диода представлена как зависимость суммы токов I n р, I p n и обычного диодного (диффузионного и дрейфового) тока от приложенного напряжения.

Теперь рассмотрим более подробно вольт-амперную характеристику туннельного диода по выделенным на ней отдельным точкам (а, б, в, г, д, е, ж, рис. 5.2):

а) при нулевом смещении электронам проводимости n-области противостоят валентные электроны р-области (рис. 5.2, а). Если все указанные уровни заполнены, то туннельные переходы невозможны. В действительности при комнатной температуре некоторая часть этих уровней освобождается за счет электронов, переброшенных на уровни, расположенные выше уровня Ферми. Поэтому существует определенная вероятность, что валентный электрон р-области, не меняя своей энергии, совершит туннельный переход и займет соответствующий уровень в зоне проводимости n-области. Существует точно такая же вероятность туннельного перехода электрона проводимости n-области в валентную зону p-области. Так как эти вероятности одинаковы, то встречные потоки электронов, совершающих туннельные переходы, взаимно компенсируются и суммарный туннельный ток оказывается равным нулю (I Т =0, рис. 5.2, а). При дальнейших рассуждениях эти составляющие учитываться не будут;

Рис. 5.2. Энергетические диаграммы туннельного диода при различных напряжениях смещения и его вольт-амперная характеристика

б) если к p-n-переходу приложить небольшое прямое напряжение, то энергетические уровни р-области понизятся относительно энергетических уровней n-области (рис. 5.2, б). В этом случае уровни некоторых электронов проводимости n-области расположатся против свободных уровней, находящихся в валентной зоне р-области, что создает благоприятные условия для их туннельного перехода. Поэтому в р-n-переходе появится туннельный ток, величина которого будет зависеть от смещения энергетических зон, т. е. от приложенного прямого смещения (туннельный ток протекает от р-области к n-области в направлении, противоположном движению электронов);

в) при увеличении прямого смещения туннельный ток будет увеличиваться до тех пор, пока не произойдет совмещение уровня Ферми n-области с верхним уровнем валентной зоны р-области. В этом случае туннельный ток достигает максимума, так как против уровней электронов проводимости n-области располагаются все свободные уровни валентной зоны р-области, превышающие уровень Ферми (рис. 5.2, в);

г) при дальнейшем увеличении прямого смещения некоторые уровни электронов проводимости n-области располагаются против запрещенной зоны р-области и туннельный ток уменьшается (рис. 5.2, г). В результате на вольт-амперной характеристике получается участок с отрицательным сопротивлением;

д) при некотором значении прямого напряжения зона проводимости n-области и валентная зона р-области начинают расходиться и туннельный ток прекращается (рис.5.2,д,е);

е) при прямом напряжении в р-n-переходе наряду с туннельным током появляется диффузионный ток, как у обычного диода (на вольт-амперной характеристике он показан штриховой линией). При расхождении зоны проводимости n-области с валентной зоной р-области (начиная с точки д) существует только диффузионный ток и туннельный диод при таком условии подобен обычному диоду, включенному в прямом направлении (рис.5.2, д, е);

ж) при обратном смещении р-n-перехода туннельного диода валентная зона р-области перекрывается с разрешенными и незаполненными уровнями зоны проводимости n-области. При этом возникают условия для относительно свободного туннельного прохождения валентных электронов р-области в зону проводимости n-области. В результате этого появляется значительный туннельный ток обратного направления, величина которого очень сильно зависит от смещения зон, т. е. от величины обратного напряжения (рис. 5.2, ж).

Рис. 5.3. Вольт-амперные характеристики германиевых и арсенидгаллиевых туннельных диодов

На рис. 5.3 приведены для сравнения вольтамперные характеристики туннельных диодов из различных полупроводниковых материалов. Из рисунка видно, что диоды из арсенида галлия обладают наибольшим отношением I 1 /I 2 и напряжением переключения  U n .

Из вышесказанного следует, что туннельный диод не имеет запирающего направления. Рабочим участком вольт-амперной характеристики туннельного диода является участок в-д (рис.5.2), на котором он обладает отрицательным динамическим (дифференциальным) сопротивлением:

R i =dU/dI < 0 (5.2)

Минимальное абсолютное значение этого сопротивления является одним из основных параметров туннельного диода. Для различных типов диода оно имеет значение от единиц до десятков Ом.

Другими основными параметрами туннельных диодов являются (рис. 5.1 а ):

Максимальный прямой ток I 1 в точке максимума вольт-амперной характеристики;

Минимальный прямой ток I 2 в точке минимума вольт-амперной характеристики;

Отношение токов в максимуме и в минимуме вольтамперной характеристики I 1 /I 2 ;

Отрицательная дифференциальная проводимость G на участке АВ в точке максимума производной;

Напряжение переключения ΔU n = U 3 -U 1 , которое определяет возможный скачок напряжения на нагрузке при работе туннельного диода в схеме переключения;

Барьерная емкостьC(U 2) диода, которая обычно измеряется при минимуме тока.

Емкость в максимуме тока равна C(U 1) 0,8C(U 2).

Напряжения, соответствующие максимальному и минимальному значениям тока U 1 и U 2 ,

Напряжение раствора U 3 , соответствующее максимальному току на второй восходящей ветви вольт-амперной характеристики.

В большой семье полупроводниковых приборов имеется группа приборов, у которых на определенном участке вольт-амперной характеристики увеличение напряжения (ΔU > 0) сопровождается не ростом, а падением силы тока (ΔI

Наиболее распространенными и, пожалуй, наиболее интересными из всех приборов с отрицательным сопротивлением являются туннельные диоды. Идея использования туннельного эффекта для создания полупроводникового диода была высказана советскими учеными Я. И. Френкелем и А. Ф. Иоффе еще в 1932 году, но только в 1958 году японским инженером Л. Есаки был создан туннельный диод.

Изготовление туннельных диодов . Как и обычные выпрямительные диоды, туннельный диод может быть получен путем вплавления кусочка металла в пластинку полупроводника, например индия в германий n-типа. Иначе говоря, и для создания туннельного диода необходимо получить p-n-переход. Однако в отличие от изготовления обычных диодов для получения туннельного диода нужно использовать в качестве подложки полупроводник с очень высокой степенью легированности, то есть с очень высокой концентрацией примеси. Если в обычных диодах концентрация примесей в полупроводнике, как правило, не превышает 10 17 см -3 , то концентрация легирующей примеси в полупроводниках, используемых для создания туннельных диодов по порядку величины, равна 10 19 -10 20 см -3 .

Особенности p-n-перехода между вырожденными полупроводниками . Полупроводники с такой концентрацией примеси, как мы уже видели ранее, являются вырожденными: у них уровни Ферми располагаются в области разрешенных зон (в вырожденном полупроводнике n-типа уровень Ферми лежит в области зоны проводимости, а в вырожденном полупроводнике р-типа - в области валентной зоны). Такое расположение уровней Ферми приводит к возникновению в контакте между вырожденными полупроводниками большой контактной разности потенциалов, превышающей почти вдвое значение контактной разности потенциалов в обычных диодах. Так как в туннельных диодах уровни Ферми лежат вне пределов запрещенной зоны, то у них потенциальный барьер на границе перехода всегда больше ширины запрещенной зоны. На рисунке 77, а приведена зонная схема двух высоколегированных вырожденных полупроводников (n-типа и p-типа) до контакта, а на рисунке 77, б - зонная схема p-n-перехода, образовавшегося после приведения полупроводников в контакт. Из рисунка 77, б видно, что при установлении равновесия между вырожденными n- и р-областями происходит перекрытие зон по внешней шкале энергии: дно зоны проводимости n-полупроводника располагается ниже потолка валентной зоны полупроводника p-типа. Таким образом, электроны, находящиеся, например, вблизи уровня Ферми в n- и p-областях, имеют одну и ту же энергию и переходу их из одной области в другую препятствует лишь зона запрещенных энергий, являющаяся для них некоторым потенциальным барьером.

Отличительной особенностью p-n-перехода между вырожденными полупроводниками является также его крайне малая толщина d - порядка 10 -6 см. Дело в том, что благодаря высокой плотности свободных носителей их уход даже из небольшого пограничного слоя связан с образованием большого числа нескомпенсированных заряженных донорных и акцепторных примесных центров, достаточного для возникновения равновесного потенциального барьера.

Туннельные переходы электронов в состоянии равновесия . Чрезвычайно малая толщина p-n-перехода в совокупности с перекрытием зон, благодаря которому по обе стороны перехода имеются области с одинаковыми разрешенными энергиями, создают благоприятные условия для туннельных переходов: электроны из зоны проводимости n-области переходят в валентную зону p-области, а электроны из валентной зоны p-области переходят в зону проводимости n-области (см. рис. 77, б). Конечно, для туннельного перехода электрона через барьер из одной области полупроводника в другую необходимо, чтобы по ту сторону барьера, куда переходит электрон, имелись свободные состояния. Но ведь уровень Ферми как раз тем и характеризуется, что вероятность его заполнения равна всего 72. Поэтому для электронов, имеющих энергию, не слишком отличающуюся от энергии Ферми, всегда найдется место за потенциальным барьером p-n-перехода.

При равновесии в отсутствие напряжения смещения число туннельных переходов электронов слева направо равно числу встречных переходов справа налево и суммарный туннельный ток равен нулю. Помимо туннельных переходов, в рассматриваемом диоде, конечно, существуют и надбарьерные переходы основных и неосновных носителей, создающих диффузионный ток и ток проводимости. Но, во-первых, в условиях равновесия и эти токи оказываются одинаковыми и направленными навстречу друг другу, так что в сумме они не дают тока. А во-вторых, в сравнении с числом туннельных переходов число надбарьерных переходов оказывается пренебрежимо малым. Итак, в отсутствие внешнего смещения ток через диод равен нулю, что соответствует началу координат на кривой вольт-амперной характеристики прибора (точка 1 на рисунке 78).

Поведение туннельного диода при подаче прямого напряжения смещения . Если на диод подать небольшое положительное смещение, то произойдет некоторое смещение энергетических зон, в результате чего потенциальный барьер на границе перехода немного понизится и незаполненная часть валентной зоны полупроводника p-типа разместится напротив заполненной области зоны проводимости n-полупроводника (рис. 79, а). При этом равновесие между туннельными переходами электронов слева направо и справа налево нарушится. Действительно, в области перекрытия заполненных частей зон указанные переходы компенсируют друг друга (пунктирные стрелки на рисунке), но переходы из верхней области заполненной части зоны проводимости n-полупроводника (жирная стрелка) уже не встречают встречного компенсирующего потока, так как расположенная напротив область валентной зоны p-полупроводника практически пуста. Возникающий нескомпенсированный поток электронов из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа приводит к появлению прямого тока через диод (точка 2 на кривой рисунка 78).

Повышение положительного смещения приводит к все большему перекрытию заполненной области зоны проводимости n-полупроводника с пустой областью валентной зоны полупроводника p-типа, благодаря чему растет и туннельный ток через диод. Максимального значения (точка 3 на рисунке 78) он достигает тогда, когда уровень Ферми n-полупроводника располагается напротив потолка валентной зоны р-области (рис. 79, б).

Дальнейшее повышение прямого напряжения сопровождается уже уменьшением перекрытия заполненной части зоны проводимости полупроводника n-типа и пустой части валентной зоны р-полупроводника, а значит, и ухудшением условий для переходов электронов из n-области в p-область (рис. 79, в). Электронам, расположенным в верхней части заполненной области зоны проводимости n-полупроводника, теперь противостоит зона запрещенных энергий р-полупроводника, из-за чего их переход в p-область становится невозможным. Таким образом, мы приходим к парадоксальному, на первый взгляд, явлению: увеличение разности потенциалов, приложенной к прибору в прямом направлении, сопровождается не увеличением, а уменьшением протекающего через него тока (точка 4 на рисунке 78). На вольт-амперной характеристике диода появляется падающий участок, которому соответствует отрицательное сопротивление.

Уменьшение туннельного тока по мере роста приложенного прямого напряжения будет продолжаться и дальше вплоть до момента, когда дно зоны проводимости полупроводника n-типа окажется на одном уровне с потолком валентной зоны р-полупроводника (рис. 79, г). Туннельные переходы в такой ситуации становятся принципиально невозможными, и туннельный ток падает до нуля (точка 5 на рисунке 78).

Однако, как видно из хода вольт-амперной характеристики (см. рис. 78), ток через диод не только не исчезает, но даже начинает расти по мере увеличения прямого напряжения. Объясняется это тем, что большое прямое напряжение смещения приводит к заметному снижению потенциального барьера на границе перехода. Благодаря этому увеличивается вероятность надбарьерного перехода носителей через границу раздела, то есть появляется возможность для надбарьерной инжекции электронов из n-полупроводника и дырок из р-области (см. рис. 79, г). Возникающий диффузионный ток, как и у обычных диодов, растет по мере увеличения прямого напряжения, все более снижающего потенциальный барьер на границе p-n-перехода (восходящий участок характеристики с точкой 6).

Поведение туннельного диода при подаче обратного напряжения смещения . При включении обратного смещения преимущественными оказываются туннельные переходы электронов из валентной области p-полупроводника в зону проводимости полупроводника n-типа (на рисунке 80 - справа налево). Переходы эти оказываются ничем не ограниченными, и число их растет по мере увеличения обратного напряжения. Этим и объясняется быстрый рост обратного тока через диод (см. на рисунке 78 участок вольт-амперной характеристики с точкой 7).

Генерирование незатухающих колебаний с помощью туннельного диода . Проиллюстрируем применение туннельных диодов на примере генерирования незатухающих колебаний. Используя отрицательное сопротивление туннельного диода, можно скомпенсировать положительное активное сопротивление какого-либо определенного участка электрической цепи и обеспечить усиление сигнала или генерацию колебаний. Так, если рабочая точка туннельного диода, включенного в цепь постоянного тока последовательно с колебательным контуром (рис. 81), находится на падающем участке вольт-амперной характеристики, то происходит восполнение потерь энергии в колебательном контуре и в нем возникают незатухающие колебания.

При замыкании ключа K в колебательном контуре возникают свободные колебания с малой амплитудой, которые в отсутствие туннельного диода вскоре бы затухли. Установим напряжение питания U схемы таким, чтобы рабочая точка диода находилась посередине участка отрицательного сопротивления вольт-амперной характеристики. В процессе электрических колебаний в контуре, возникающих после замыкания цепи, полярность точек А и В будет каждые полпериода меняться. Во время одного из полупериодов полярность этих точек окажется такой, как указано на рисунке. В этом случае напряжение, имеющееся на контуре, вычитается из напряжения питания, и общее напряжение прямого смещения на диоде уменьшается. Так как диод в выбранном нами режиме работает на участке отрицательного сопротивления, то уменьшение прямого напряжения смещения вызовет возрастание тока через диод, а следовательно, и во всей цепи. Когда же полярность зажимов контура (во время второго полупериода) станет противоположной, напряжение прямого смещения увеличится, а сила тока в цепи станет меньшей. Таким образом ток в цепи будет пульсирующим. Легко сообразить, что переменная составляющая этого тока совпадает по фазе с колебаниями напряжения на контуре. Это значит, что мощность электрического тока на участке цепи, образованном колебательным контуром, положительна (cos φ = 1) и имеет место непрерывное пополнение энергии в контур. За счет этого амплитуда колебаний в контуре увеличивается. Одновременно растут и потери энергии. Когда наступает равновесие между потерями энергии и ее пополнением, в контуре устанавливаются незатухающие колебания.

Как видно из схемы, генератор незатухающих электрических колебаний на туннельном диоде по своему устройству значительно проще лампового генератора.

В последнее время туннельные диоды нашли широкое применение в электронных вычислительных устройствах и других радиоэлектронных системах, требующих высокого быстродействия. Такое использование туннельных диодов объясняется их исключительно малой инерционностью (туннельный переход электронов через потенциальный барьер происходит всего за 10 -12 -10 -14 с). Малая инерционность туннельных диодов позволяет применять их для генерирования и усиления колебаний сверхвысоких частот (вплоть до сотен гигагерц).

Туннельные диоды используются также в качестве быстродействующих переключателей (время переключения может быть доведена до 10 -9 с). В электрической цепи туннельный диод работает как вентиль, который при уменьшении напряжения прямого смещения открывается, а при увеличении этого смещения закрывается.

Обращенные диоды . Интересной разновидностью туннельных диодов являются так называемые обращенные диоды. Для их создания используются полупроводники с несколько меньшей степенью легированности, чем в случае обычных туннельных диодов (концентрация примеси, вводимой в полупроводник в этом случае, составляет примерно 10 18 см -3). В таких полупроводниках уровни Ферми совпадают с границами разрешенных зон: в n-полупроводнике уровень Ферми совпадает с дном зоны проводимости, а в p-полупроводнике - с потолком валентной зоны. Если рассмотреть контакт таких полупроводников, находящийся в равновесном состоянии, то окажется, что перекрытия энергетических зон не происходит (рис. 82). Поэтому и туннельных переходов через границу раздела областей в отсутствие внешнего напряжения смещения нет. Не появляются они и при наличии прямого напряжения смещения, так как и в этом случае разрешенным энергиям электронов в одной области противостоит зона запрещенных энергий в другой области. По этой причине прямой ток в диоде может быть обусловлен только надбарьерными переходами носителей. А поскольку потенциальный барьер на границе столь высоко легированных полупроводников достаточно велик (как видно из рисунка, он равен ширине запрещенной зоны полупроводника), то и сила прямого тока вплоть до весьма больших значений прямого напряжения смещения оказывается ничтожной (рис. 83). Практически она равна значению диффузионного тока, характерного для туннельных диодов вообще (пунктирная линия на рисунке 78).

Подача же на диод внешнего напряжения в обратном направлении приводит к появлению перекрытия разрешенных зон, которое с увеличением этого напряжения растет. При этом появляется возможность для туннельных переходов, число которых неограниченно увеличивается с ростом U обр, как и в обычных туннельных диодах, из-за чего сила тока в запорном направлении также быстро растет и становится несравненно большей силы тока в прямом направлении. Следовательно, в отношении зависимости проводимости от напряжения смещения свойства таких диодов противоположны свойствам обычных выпрямительных диодов, из-за чего эти диоды получили название обращенных. Они не имеют участка отрицательного сопротивления и поэтому не могут быть использованы для генерирования и усиления колебаний, но применяются в качестве детекторов в области очень высоких частот.