Доклад по микро- и оптоэлектронике. Студентки гр Васильевой Е.А.

Туннельные диоды. Обращенные диоды. Переходные процессы.

Туннельный диод. Первая работа, подтверждающая реальность создания туннельных приборов была посвящена туннельному диоду, называемому также диодом Есаки, и опубликована Л.Есаки в 1958 году. Есаки в процессе изучения внутренней полевой эмиссии в вырожденном германиевом p-n переходе обнаружил "аномальную" ВАХ: дифференциальное сопротивление на одном из участков характеристики было отрицательным. Этот эффект он объяснил с помощью концепции квантово-механического туннелирования и при этом получил приемлемое согласие между теоретическими и экспериментальными результатами.

Туннельный диод. Туннельным диодом называют полупроводниковый диод на основе p+- n+ перехода с сильнолегированными областями, на прямом участке вольт- амперной характеристики которого наблюдается n-образная зависимость тока от напряжения. Как известно, в полупроводниках с высокой концентрацией примесей образуются примесные энергетические зоны. В n-полупроводниках такая зона перекрывается с зоной проводимости, а в p-полупроводниках – с валентной зоной. Вследствие этого уровень Ферми в n- полупроводниках с высокой концентрацией примесей лежит выше уровня Ec, а в р-полупроводниках ниже уровня Ev. В результате этого в пределах энергетического интервала E=Ev-Ec любому энергетическому уровню в зоне проводимости n-полупроводника может соответствовать такой же энергетический уровень за потенциальным барьером, т.е. в валентной зоне p-полупроводника.

Туннельный диод. Таким образом, частицы в n и p-полупроводниках с энергетическими состояниями в пределах интервала E разделены узким потенциальным барьером. В валентной зоне p-полупроводника и в зоне проводимости n- полупроводника часть энергетических состояний в интервале E свободна. Следовательно, через такой узкий потенциальный барьер, по обе стороны которого имеются незанятые энергетические уровни, возможно туннельное движение частиц. При приближении к барьеру частицы испытывают отражение и возвращаются в большинстве случаев обратно, но все же есть вероятность обнаружения частицы за барьером, в результате туннельного перехода отлична от нуля и плотность туннельного тока j t0. Рассчитаем, чему равна геометрическая ширина вырожденного p-n перехода. Будем считать, что при этом сохраняется несимметричность p-n перехода (p + – более сильнолегированная область). Тогда ширина p + -n + перехода мала: Дебройлевскую длину волны электрона оценим из простых соотношений:

Туннельный диод. Геометрическая ширина p + -n + перехода оказывается сравнима с дебройлевской длиной волны электрона. В этом случае в вырожденном p + - n + переходе можно ожидать проявления квантово- механических эффектов, одним из которых является туннелирование через потенциальный барьер. При узком барьере вероятность туннельного просачивания через барьер отлична от нуля!!!

Туннельный диод. Токи в туннельном диоде. В состоянии равновесия суммарный ток через переход равен нулю. При подаче напряжения на переход электроны могут туннелировать из валентной зоны в зону проводимости или наоборот. Для протекания туннельного тока необходимо выполнение следующих условий: 1)энергетические состояния на той стороне перехода, откуда туннелируют электроны, должны быть заполнены; 2) на другой стороне перехода энергетические состояния с той же энергией должны быть пустыми; 3)высота и ширина потенциального барьера должны быть достаточно малыми, чтобы существовала конечная вероятность туннелирования; 4) должен сохраняться квазиимпульс. Туннельный диод.swfТуннельный диод.swf

Туннельный диод. В качестве параметров используются напряжения и токи, характеризующие особые точки ВАХ. Пиковый ток соответствует максимуму ВАХ в области туннельнго эффекта. Напряжение Uп соответствует току Iп. Ток впадины Iв и Uв характеризуют ВАХ в области минимума тока. Напряжение раствора Upp соответствует значению тока Iп на диффузионной ветви характеристики. Падающий участок зависимости I=f(U) характеризуется отрицательным дифференциальным сопротивлением rД= -dU/dI, величину которого с некоторой погрешностью можно определить по формуле

Обращенные диоды. Рассмотрим случай, когда энергия Ферми в электронном и дырочном полупроводниках совпадает или находится на расстоянии ± kT/q от дна зоны проводимости или вершины валентной зоны. В этом случае вольт-амперные характеристики такого диода при обратном смещении будут точно такие же, как и у туннельного диода, то есть при росте обратного напряжения будет быстрый рост обратного тока. Что касается тока при прямом смещении, то туннельная компонента ВАХ будет полностью отсутствовать в связи с тем, что нет полностью заполненных состояний в зоне проводимости. Поэтому при прямом смещении в таких диодах до напряжений, больше или равных половине ширины запрещенной зоны, ток будет отсутствовать. С точки зрения выпрямительного диода вольт-амперная характеристика такого диода будет инверсной, то есть будет высокая проводимость при обратном смещении и малая при прямом. В связи с этим такого вида туннельные диоды получили название обращенных диодов. Таким образом, обращенный диод – это туннельный диод без участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Высокая нелинейность вольт-амперной характеристики при малых напряжениях вблизи нуля (порядка микровольт) позволяет использовать этот диод для детектирования слабых сигналов в СВЧ-диапазоне.

Переходные процессы. При быстрых изменениях напряжения на полупроводниковом диоде на основе обычного p-n перехода значение тока через диод, соответствующее статической вольт-амперной характеристике, устанавливается не сразу. Процесс установления тока при таких переключениях обычно называют переходным процессом. Переходные процессы в полупроводниковых диодах связаны с накоплением неосновных носителей в базе диода при его прямом включении и их рассасывании в базе при быстром изменении полярности напряжения на диоде. Так как электрическое поле в базе обычного диода отсутствует, то движение неосновных носителей в базе определяется законами диффузии и происходит относительно медленно. В результате кинетика накопления носителей в базе и их рассасывание влияют на динамические свойства диодов в режиме переключения. Рассмотрим изменения тока I при переключении диода с прямого напряжения U на обратное напряжение.

Переходные процессы. В стационарном случае величина тока в диоде описывается уравнением После завершения переходных процессов величина тока в диоде будет равна J 0. Рассмотрим кинетику переходного процесса, то есть изменение тока p- n перехода при переключении с прямого напряжения на обратное. При прямом смещении диода на основе несимметричного p-n перехода происходит инжекция неравновесных дырок в базу диода. Изменение во времени и пространстве неравновесных инжектированных дырок в базе описывается. уравнением непрерывности:

Переходные процессы. В момент времени t = 0 распределение инжектированных носителей в базе определяется из диффузионного уравнения и имеет вид: Из общих положений ясно, что в момент переключения напряжения в диоде с прямого на обратное величина обратного тока будет существенно больше, чем тепловой ток диода. Это произойдет потому, что обратный ток диода обусловлен дрейфовой компонентой тока, а ее величина в свою очередь определяется концентрацией неосновных носителей. Эта концентрация значительно увеличена в базе диода за счет инжекции дырок из эмиттера и описывается в начальный момент этим же уравнением.

Переходные процессы. С течением времени концентрация неравновесных носителей будет убывать, следовательно, будет убывать и обратный ток. За время t 2, называемое временем восстановления обратного сопротивления, или временем рассасывания, обратный ток придет к значению, равному тепловому току. Для описания кинетики этого процесса запишем граничные и начальные условия для уравнения непрерывности в следующем виде. В момент времени t = 0 справедливо уравнение распределения инжектированных носителей в базе. При установлении стационарного состояния в момент времени стационарное распределение неравновесных носителей в базе описывается соотношением:

Переходные процессы. Обратный ток обусловлен только диффузией дырок к границе области пространственного заряда p-n перехода: Процедура нахождения кинетики обратного тока следующая. Учитывая граничные условия, решается уравнение непрерывности и находится зависимость концентрации неравновесных носителей в базе p(x,t) от времени и координаты. На рисунке приведены координатные зависимости концентрации p(x,t) в различные моменты времени. Координатные зависимости концентрации p(x,t) в различные моменты времени

Переходные процессы. Подставляя динамическую концентрацию p(x,t), находим кинетическую зависимость обратного тока J(t). Зависимость обратного тока J(t) имеет следующий вид: Здесь – дополнительная функция распределения ошибок, равная Первое разложение дополнительной функции ошибок имеет вид: Разложим функцию в ряд в случаях малых и больших времен: t > p. Получаем: Из этого соотношения следует, что в момент t = 0 величина обратного тока будет бесконечно большой. Физическим ограничением для этого тока будет служить максимальный ток, который может протекать через омическое сопротивление базы диода r Б при обратном напряжении U. Величина этого тока, называемого током среза J ср, равна: J ср = U/r Б. Время, в течение которого обратный ток постоянен, называют временем среза.

Переходные процессы. Для импульсных диодов время среза τ ср и время восстановления τ в обратного сопротивления диода являются важными параметрами. Для уменьшения их значения существуют несколько способов. Во-первых, можно уменьшать время жизни неравновесных носителей в базе диода за счет введения глубоких рекомбинационных центров в квазинейтральном объеме базы. Во-вторых, можно делать базу диода тонкой для того, чтобы неравновесные носители рекомбинировали на тыльной стороне базы.perpr_pn.swfperpr_pn.swf Зависимость обратного тока от времени при переключении диода