Барсуков С.Н. Элементная база радиоэлектроники. Часть 1. Полупроводниковые диоды. Учеб. пособие

Подождите немного. Документ загружается.

- максимальное значение прямого тока I

пр. макс

(или U

пр. макс

);

- максимальное значение обратного тока

обр. макс

;

- максимальная рассеиваемая мощность

макс

Туннельный диод – это прибор СВЧ-диапазона, используемый в

частотном интервале от единиц до нескольких десятков гигагерц. Эк-

вивалентная схема диода для малых сигналов на участке отрица-

тельного динамического сопротивления приведена на рис. 2.43. Она

состоит из отрицательного

динамического сопротивле-

ния R

, барьерной емкости

, общего сопротивления

потерь

r и ин дуктивности

выводов L. Полное сопро-

тивление диода

Cjg

Ljrz

ω+

+ω+=

где дифференциальная проводимость g = 1/R

Выделяя активную и реактивную компоненты, получим













ω+

−ω+

ω+

11 RC

Приравнивая к нулю действительную часть полного сопротивления,

определяем предельную частоту:

пр

−=ω

. (2.15)

Диод проявляет себя как элемент с отрицательным динамическим

сопротивлением пока

ω<ω

пр

. В этом случае компенсируются потери

и возможен процесс усиления или генерирования колебаний.

Резонансную частоту диода получаем, приравнивая к нулю мни-

мую часть полного сопротивления, т.е.

−=ω

. (2.16)

В режиме усиления не должно происходить самовозбуждения, т.е. ре-

зонансная частота должна находиться за предельной частотой

>ω

пр

. Из этого неравенства находим условие усиления:

Рис. 2.43

CrRL

. (2.17,a)

Для возникновения самовозбуждения, т.е. генерирования колебаний,

справедливо обратное условие:

CrRL

. (2.17,б)

В усилит е льных диодах для уменьшения индуктивности выводы

выполняются в виде пластин, мембран и т.д.

Генераторные диоды должны обеспечивать максимальную мощ-

ность в нагрузке, которая определяется следующим соотношением:

(

)

(

)

вппв

120 IIUU,P

−

Туннельные диоды изготавливаются на основе германия или ар-

сенида галлия. Разность напряжений U

- U

больше у материала с

более широкой запрещенной зоной. Поэтому арсенид-галлиевые

диоды обеспечивают получение большей мощности. Большее соот-

ношение I

этих диодов также способствует увеличению мощности.

Форма ВАХ определяет применение туннельных диодов в быстро-

действующих импульсных и переключательных схемах. Различие

двух уровней сигнала обеспечивают параметры I

, а также

. При этом линия нагрузки должна пересекать ВАХ на трех

участках прямой ветви диода, тогда нужно выбирать R

. При ра-

боте на падающем участке характеристики (режим усиления и гене-

рирования) R

, поэтому нагрузочный резистор не включают, его

роль выполняет сопротивление потерь диода.

Подкласс туннельных диодов при их маркировке отмечают эле-

ментом – буквой И. Третий элемент маркировки диода (цифра) опре-

деляет функциональное назначение: 1 - усилительный (1И104А), 2 -

генераторный (3И203А), 3 – переключательный (АИ301А).

2.6. Обращенные диоды

Обращенный диод – это разновидность туннельного диода, прово-

димость которого при обратном напряжении больше, чем при прямом.

ВАХ этого диода является обратной

(перевернутой) по отношению к характе-

ристике классического p-n-перехода и за-

нимает меньший интервал напряжений

(рис. 2.44). Обратная ветвь 0<U

обр

<0,1 В

соответствует проводящему состоянию

диода, а участок прямой ветви U<0,3 В –

непроводящему. В интервале напряжений

Рис. 2.44

U,B

-0,1<U<0,3 В диод обладает свойством односторонней проводимости

в обратном проявлении.

Условное обозначение диода показано на рис. 2.45. Здесь же ука-

зана полярность напряжения, соответствующая прово-

дящему состоянию (ток направлен против стрелки дио-

да). В маркировке диода 1И401А использованы следую-

щие основные элементы:

И – подкласс туннельных диодов;

4 – обращенный диод (как разновидность туннель-

ного).

Принцип действия прибора основан на туннельном эффекте в об-

ратносмещенном переходе, выполненном из полупроводника, нахо-

дящегося на границе вырождения. В отличие от туннельного диода

степень легирования здесь ниже. На энергетической диаграмме в ис-

ходном состоянии нет перекрытия зоны проводимости n-области и

валентной зоны р-области. Поэтому туннельный ток появляется толь-

ко при обратном смещении, когда возникает перекрытие соответст-

вующих зон. Этот ток создается электронами, туннелирующими из

валентной зоны р-области в зону проводимости n-области. При

прямых напряжениях туннельный ток отсутствует, так как нет взаим-

ного соответствия энергетических уровней в р- и n-областях

структуры. Для больших значений прямых напряжений появляются

условия возникновения прямого инжекционного тока. Основные носи-

тели заряда преодолевают потенциальный барьер и диффу ндируют

через переход. Однако этот участок прямо й ветви не является рабо-

чим.

Для практической реализации обращенного диода нужно фактиче-

ски уменьшить концентрацию примесей только в n-области (при со-

хранении критической в р-области). Тогда прямой туннельный ток

уменьшится из-за уменьшения концентрации электронов в n-области.

Значение пикового тока тоже резко уменьшится и на начальном уча-

стке ВАХ прямой ветви останется лишь небольшая неравномерность.

Основные параметры обращенных диодов:

1. Постоянное прямое напряжение (при заданной малой вели-

чине прямого тока )

пр

ограничивает рабочий участок непроводящей

прямой ветви (Ge – 0,35 В, GаAS – 0,6 В).

2. Постоянное обратное напряжение (при заданном обратном

токе) определяет падение напряжения для проводящего состояния

обр

(около 0,1 В);

3. Постоянный обратный ток является предельным парамет-

ром, ограничивающим рабочий участок проводящего состояния

обр.

макс

(1…8 мА).

Рис. 2.45

4. Постоянный прямой ток является предельным параметром

для непроводящего состояния

пр. макс

(0,3…0,8 мА).

5. Емкость диода определяет инерционные свойства

С (едини-

цы пикофарад).

Из анализа параметров следуют основные преимущества обра-

щенных диодов: малое падение напряжения делает их незаменимы-

ми при обработке слабых сигналов, высокое быстродействие диода

определяет малая величина его емкости, так как проводящая обрат-

ная ветвь диода соответствует туннельному току, поэтому отсутствует

эффект накопления неосновных носителей (С

диф

= 0), а туннелиро-

вание – это малоинерционный процесс. Следует обратить внимание

также на малую величину максимально допустимого напряжения для

непроводящего состояния.

Диоды применяются в быстродействующих импульсных схемах, а

также для нелинейных преобразований сигналов СВЧ-диапазона (при

детектировании и преобразовании частоты).

2.7. Диоды Шотки

Диод Шотки – это диод, выпрямительное свойство которого осно-

вано на использовании электрического перехода металл-

полупроводник.

Электрический переход между металлом и полупроводником мо-

жет обладать свойством односторонней проводимости (выпрямляю-

щий переход) или подчиняться линейному закону Ома (омический пе-

реход). Омический переход применяется для формирования внешних

выводов от полупроводниковых областей.

В рассматриваемом приборе используется электрический переход

Шотки. Этот переход возникает между металлом и полупроводником,

если они имеют разные величины работ выхода электронов. Для по-

лупроводника n-типа работа выхода из него должна быть меньше,

чем работа выхода из металла, т.е. А

<А

(р-тип полупроводника

удовлетворяет обратному неравенству А

>А

Процесс образования перехода Шотки и его энергетическая диа-

грамма в равновесном состоянии показаны на рис. 2.46, где

- об-

щий энергетический уровень Ферми для данной структуры,

- ниж-

няя граница зоны проводимости,

- верхняя граница валентной зоны

полупроводника. Двойной штриховкой отмечены энергетические со-

стояния, занятые электронами.

Этот процесс состоит из следующих этапов:

1. В начальный момент времени поток электронов из полупро-

водника в металл больше, чем в обратном направлении, так как

<А

2. Движение электронов вызывает перераспределение зарядов

в приграничных областях, что приводит к нарушению электрической

нейтральности. В полупроводниковой

области «обнажается» нескомпенси-

рованный заряд положительных ио-

нов донорной примеси, а в тонком

приповерхностном слое металла по-

является избыточный отрицательный

заряд электронов.

3. Между противоположными

зарядами в приконтактной области

возникает внутреннее электрическое

поле. Из-за высокой концентрации

электронов в металле это поле прак-

тически не проникает в него. Поэтому

ширина перехода

d определяется

слоем положительных ионов.

4. Поле перехода представля-

ет собой потенциальный барьер для

электронов полупроводника. Только

небольшая часть высокоэнергетичных электронов способна преодо-

леть этот барьер и перейти в область металла.

5. С уменьшением электронного потока из полупроводника ус-

танавливается динамическое равновесие между двумя разнонаправ-

ленными потоками электронов. В структуре устанавливается равно-

весное состояние, которое характеризируется толщиной перехода

напряженностью поля

Е и высотой энергетического qφ

или потенци-

ального барьера

⋅

−

=ϕ

пм

(2.18)

Эта величина еще называется контактной разностью потенциалов.

Наличие контактной разности потенциалов создает изгиб зон в

приграничной области полупроводника. Чтобы электрону попасть в

эту область, ему нужно преодолеть силу электрического противодей-

ствия. Поэтому чем ближе к границе контакта, тем большей энергией

должен обладать электрон, чтобы попасть в эту область (см. изгиб

зоны в сторону больших энергий).

qφ

M n

Рис. 2.46

Электроны из металла и полупроводника должны преодолевать

разную высоту барьера при переходе через границу. Величина

qφ

–

это высота энергетического барьера для электронов, переходящих из

полупроводника в металл, а

qφ

- для электронов, переходящих в

обратном направлении.

Прямое смещение на переходе уменьшает потенциальный барьер

для электронов полупроводника, что приводит к увеличению этой

компоненты тока (рис. 2.47). Встречный поток электронов из металла

при этом остается прежним, так как металл

экранирует поле перехода и высота барье-

ра для этих электронов не изменяется.

Следовательно, прямой ток создается по-

током электронов через переход, перехо-

дящих из полупроводника в металл. На

энергетической диаграмме прямосмещен-

ного перехода поднимаются энергетиче-

ские уровни полупроводника

и ε

на ве-

личину qU, что приводит к уменьшению соответствующего энергети-

ческого барьера (рис. 2.48), т.е.

q(φ

- U). При обратном смещении

перехода остается только компо-

нента малого электронного пото-

ка из металла в полупроводник,

что связано с увеличением барь-

ера для прямого потока. Обрат-

ный ток является током насыще-

ния, так как не зависит от величи-

ны обратного напряжения.

ВАХ диода формально описы-

вается зависимостью, анало-

гичной p-n-переходу













−=

eII

, (2.19)

причем экспоненциальный характер сохраняется в очень широком

диапазоне изменения тока. В реальных переходах с учетом дополни-

тельных эффектов нарушается постоянство тока

при обратных

смещениях.

Для диодов Шотки можно привести следующие отличительные

особенности:

Рис. 2.47

q(φ

-U)

qφ

Рис. 2.48

1. Отсутствует диффузионная емкость, связанная с процесса-

ми накопления и рассасывания неосновных носителей в базовой об-

ласти. Поэтому высокое быстродействие определяется только малым

временем перезаряда барьерной емкости.

2. Величины прямого падения напряжения меньше, чем в

кремниевых p-n-переходах. Типовые значения составляют 0,4…0,5 В.

3. Способность пропускать большие величины прямых токов.

Это связано с хорошим теплоотводом от металлической области

структуры и малым прямым напряжением.

4. Сравнительно небольшие величины мак симально допусти-

мых обратных напряжений (несколько десятков вольт). Это определя-

ется краевыми эффектами при пробое. Кроме того, для арсенида

галлия не удается получить малую концентрацию дефектов, что также

уменьшает пробивное напряжение.

Диоды изготавливают на основе кремния или арсенида галлия с

электропроводностью n-типа из-за большей подвижности носителей

заряда. Условное обозначение диода приведено на рис. 2.49. Марки-

ровка диода определяется областью его применения.

Диоды Шотки предназначены для быстродействующих

импульсных схем, выпрямительных устройств и нели-

нейных преобразований сигнала в ВЧ- и

СВЧ-диапазонах.

2.8. P-i-n-диоды

P-i-n-диод – это диод с трехслойной структурой, состоящей из вы-

сокоомного слоя собственного полупроводника, расположенного меж-

ду двумя сильнолегированными областями р- и n-типов (рис. 2.50).

Область полупроводника с собственной электропроводностью

значительно увеличивает толщину р–n–перехода

d, что позволяет

получить малые емкости диода. При этом

одновременно повышается пробивное на-

пряжение. Напряженность поля внутри пе-

рехода уменьшается при той же величине

разности потенциалов (см. рис. 2.50):

E = ∆φ/∆x.

Сопротивление обедненной области

обычно велико (порядка нескольких десят-

ков килоом), так как наличие внутреннего

поля еще более обедняет i-слой, т.е. число

собственных носителей заряда уменьшает-

ся. Такие диоды еще называют регулируе-

Рис. 2.49

Рис. 2.50

мыми резистивными диодами, так как его сопротивление в значи-

тельной мере определяется концентрацией зарядов в i-области. Ве-

личина сопротивления может меняться в широких пределах в зависи-

мости от протекающего через диод тока.

Внешнее напряжение, приложенное в прямом направлении,

уменьшает высоту потенциального барьера для основных носителей

заряда. В результате чего происходит инжекция дырок из р-области и

электронов из n-области внутрь слоя i. Инжектированные избыточные

носители заряда диффундируют навстречу друг другу в промежуточ-

ной области и частично рекомбинируют друг с другом. Оставшаяся

часть инжектированных зарядов переходит в соответствующие р- и

n-области, где завершается второй более быстрый этап рекомбина-

ции. Количество зарядов, накопленных в i-области, определяется ве-

личиной тока инжекции и временем жизни неравновесных носителей,

а проводимость прибора - плотностью зарядов в промежуточном

слое.

Следует отметить, что прямой ток для p-i-n-структуры меньше,

чем для p-n-перехода. Это связано с тем, что на p-i- и i-n-переходах

падает только часть приложенного напряжения. Другая часть напря-

жения будет падать на высокоомной области i-слоя вследствие малой

концентрации носителей заряда в нем, особенно при малых прямых

токах. Поэтому вентильное свойство в таких структурах выражено

слабее.

При использовании p-i-n-диода в аналоговых устройствах ток из -

меняется от значений порядка 10 мА при прямых смещениях до зна-

чений, близких к нулю, при обратных.

Под действием обратного напряжения из i-слоя почти полностью

удаляются носители заряда и через него будет протекать только не-

большой ток утечки. Диоды изготавливаются на исходном кремниевом

кристалле, что еще более минимизирует величину обратного тока.

Диоды с p-i-n-структурой в основном применяют в схемах пере-

ключения и аналоговых устройствах управления ВЧ- и СВЧ-сигналов.

Работа диода в режиме переключения основана на резком отли-

чии концентрации свободных носителей заряда в i-области при пря-

мом и обратном смещениях. Высокое пробивное напряжение позво-

ляет коммутировать большие уровни СВЧ-мощности. Быстродействие

процесса ограничено временем рассасывания носителей заряда из

i-слоя при переключении с прямого напряжения на обратное. Пре-

дельные величины переключаемой импульсной мощности составляют

сотни киловатт до частоты порядка 40 ГГц. При параллельном вклю-

чении диода в линию передачи он имеет при прямом смещении ма-

лое внутреннее сопротивление, которое шунтирует линию. Тогда ос-

новная часть СВЧ-мощности отражается, а на диоде рассеивается

ее незначительная часть.

В аналоговом режиме p-i-n-диоды на высоких частотах применя-

ются в качестве сопротивления, близкого к активному, величиной ко-

торого можно управлять в широких пределах в зависимости от вели-

чины тока, протекающего через него. Нижняя частота, определяющая

применимость прибора в этом режиме, связана с временем жизни

приближенным соотношением f

= (2πτ). На низких частотах (f<f

) диод

обладает выпрямительными свойствами и подобен обычному

p-n-переходу. В окрестности граничной частоты (f = f

) он эквивален-

тен линейному активному сопротивлению с небольшой нелинейной

составляющей. На высоких частотах (f>>f

) диод ведет себя как ли-

нейное активное сопротивление, величиной которого можно управ-

лять постоянным током или низкочастотным управляющим сигналом.

При действии источника смещения в прямом направлении перемен-

ный сигнал накладывается на ток, обусловленный смещением. Изме-

няя напряжение смещения, можно управлять переменным сигналом

(модулировать его).

Прибор выпускается в корпусах различных типов, в том числе в

бескорпусном варианте. Диоды с балочными выводами предназначе-

ны для монтажа в микрополосковые схемы методом термокомпрессии

или сварки. Полосковые корпуса содержат встроенные цепи согласо -

вания и применяются в широкополосных схемах до частот 10 ГГц. В

корпусе прибора может содержаться либо одиночная структура (p-i-n)

– 2А503А, либо пара с общим анодом (n-i-p-i-n) – 2А505А.

Основные параметры диодов:

1. Емкость диода

С (0,2…1) пФ.

2. Время обратного восстановления

обр

( 60…2 мкс, для

СВЧ-диодов уменьшается до 5…100 нс).

3. Прямое сопротивление потерь при заданном токе определя-

ет активную составляющую полного сопротивления диода (единицы

ом).

4. Максимально допустимая величина обратного напряжения

предотвращает переход диода в режим пробоя (100…200) В.

5. Максимальная величина рассеиваемой мощности (от единиц

до десятков ватт).

6. Максимальная величина прямого тока (100…500) мА.

Три последних параметра относятся к предельно допустимым,

первые два определяют инерционные свойства, причем за время

обр

происходит рассасывание зарядов из i-области, т.е. восстанавливает-

ся обратное сопротивление. Время прямого восстановления на один-

два порядка меньше. Эффективность переключательного диода оп-

ределяет обобщенный параметр – критическая частота

обрпр

rrC

, (2.20)

где

пр

, r

обр

– сопротивления потерь диода соответственно в прямом

и обратном смещениях.

2.9. Диоды СВЧ-диапазона

СВЧ-диод – это диод, предназначенный для нелинейных преобра-

зований сверхвысокочастотных сигналов. Эти пр иборы работают в

диапазоне частот от 300 МГц до 300 ГГц, что соответствует интервалу

длин волн от одного метра до одного миллиметра.

В зависимости от вида нелинейного преобразования, т .е. функ-

ционального назначения, СВЧ диоды делятся на следующие типы:

детекторные, модуляторные, смесительные, умножительные, ограни-

чительные, переключательные. Диоды со специфическими принципа-

ми действия относятся к особым типам: туннельные и обращенные

диоды, параметрические, лавинно-пролетные, диоды Ганна.

Детекторный диод предназначен для детектирования сигнала, т.е.

выделения сигнала более низкой частоты из модулированного по ам-

плитуде высокочастотного колебания. Полезный эффект детектиро-

вания определяется чувствительностью по току:

– это отношение

приращения выпрямленного тока к поданной на диод СВЧ-мощности,

вызвавшей это приращение. Наибольшая чувствительность соответ-

ствует прямому току смещения в несколько десятков микроампер. Ко-

эффициент качества (добротность) является обобщенным парамет-

ром диода

шдш

rrn

, (2.21)

где

– дифференциальное сопротивление при заданном токе, r

–

эквивалентное шумовое сопротивление (примерно 1 кОм),

– шу-

мовое отношение, или коэффициент шума. Хорошие диоды имеют

К > 100 Вт

-1/2

. Коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН)

определяет степень согласования диодного блока c волновым сопро-

тивлением тракта (составляет несколько единиц). Чем меньше этот

коэффициент, тем лучше согласование, т.е. меньше потери сигнала.

Основной предельный эксплуатационный параметр – величина рас-

сеиваемой мощности (десятки милливатт).