Рефераты по Физике

Физика туннельного диода

Страница 7

В отличие от обычных полупроводниковых диодов, где об­щий ток через переход равен сумме потоков электронов из ма­териала n-типа в материал p-типа и дырок из материала p-типа в материал n-типа (встречные потоки носителей противопо­ложного знака) в туннельном диоде общий ток определяется разностью двух потоков электронов Ic→v и Iv→c (встречные потоки носителей одинакового знака).

В отсутствие внешнего смещения эти потоки равны, так как условия перехода электронов в обоих направлениях одинако­вы и во внешней цепи ток не протекает. При подаче на пере­ход небольшого положительного смещения увеличивается по­ток электронов из зоны проводимости электронного полупро­водника в валентную зону дырочного полупроводника. Общий ток туннельного диода будет уже отличен от нуля и равен

считая Wc→v , Wv→c.

При перемене полярности напряжения смещения преобла­дающим станет обратный поток электронов и ток через диод определится как

Подобные выражения были получены Эсаки на основе приведенных качественных рассуждений.

Основное преимущество туннельного диода перед обычны­ми полупроводниковыми диодами и триодами заключается в его огромном быстродействии, обусловленном высоким частот­ным пределом. Это связано с двумя особенностями туннельно­го эффекта. Во-первых, сам туннельный переход электрона че­рез потенциальный барьер p-n-перехода осуществляется за время около 10−13 сек, туннелирование электрона — кванто­вый процесс, непосредственно не зависящий от температуры. Во-вторых, туннельный диод — это прибор, работающий на основных носителях в отличие от остальных обычных полу­проводниковых приборов, работающих на неосновных носите­лях. На этой особенности прибора необходимо остановиться подробнее.

В обычном полупроводниковом приборе основные носители, пройдя через p-n-переход и попав в материал другого типа про­водимости, становятся неосновными для этого материала. Ско­рость движения неосновных носителей в полупроводниках ма­ла, так как она определяется таким медленным процессом, как диффузия. Например, электроны из зоны проводи­мости электронного материала, перейдя через p-n-переход, по­падут в зону проводимости дырочного материала, где они будут уже неосновными носителями, и дальше будут распро­страняться со скоростью, определяемой диффузионным меха­низмом.

Это накладывает ограничения на частотный диапазон работы таких приборов. Стремление к его расширению приво­дит к необходимости уменьшения продольных размеров при­бора, что ведет, в частности, к возрастанию его проходной ем­кости, влияние которой становится определяющей уже на частотах в десятки мегагерц. Положение несколько улучшено в дрейфовых приборах, где скорость носителей увеличивается благодаря созданию дополнительного дрейфа по полю. Но так как и здесь причина инерционности (работа на неосновных носителях) не устранена, то она начинает сказываться на час­тотах в сотни мегагерц.

Иначе обстоит дело с туннельным диодом. Здесь электрон из зоны проводимости материала n-типа, пройдя сквозь по­тенциальный барьер, попадает в валентную зону вырожденно­го материала p-типа (а не в зону проводимости, как у обыч­ных диодов). Вследствие нахождения уровня Ферми внутри валентной зоны в таком материале проводимость электронная, т. е. по характеру такая же, как проводимость металлов. В этом случае быстродействие прибора будет определяться временем диэлектрической релаксации (спадания) пространственного заряда основных носителей, которое для сильнолегирован­ных полупроводников равно примерно l0−13 − 10−14 сек (tрел =ε0·ε /δ где а—удельная электропроводность).

Таким образом, механизм действия туннельного диода тео­ретически позволяет ему работать до частот 1013 гц. Практи­чески частотный предел прибора ограничивается технически­ми и конструктивными параметрами: емкостью p-n-перехода, индуктивностью выводов и сопротивлением потерь, суммирую­щегося из объемного сопротивления материала и сопротивле­ния выводов. Поэтому расширение частотного диапазона тун­нельного диода определяется совершенством конструкции,, соответствующей технологией прибора и правильностью вы­бора материала. Существующие туннельные приборы работа­ют до частот 1010—1011 гц и, учитывая непрерывный прогресс полупроводниковой электроники, можно ожидать дальнейшего расширения частотных возможностей туннельных диодов.

Наряду с высоким частотным диапазоном туннельный диод обладает и другим не менее важным преимуществом перед обычными полупроводниковыми приборами — широким температурным диапазоном работы, что определяется особенно­стями тех условий, в которых существует туннельный эффект.

С одной стороны, туннельный эффект наблюдается только в переходах, образованных вырожденными полупроводника­ми, в которых уровень Ферми лежит глубоко в разрешенных зонах и которые будут продолжать сохранять металлический тип проводимости (электронный) почти вплоть до абсолют­ного нуля. Действительно, туннельные диоды сохраняют свою характеристику вплоть до гелиевых температур (4.7° К).

С другой стороны, собственная проводимость будет нераз­личима на фоне примесной проводимости до довольно высокой температуры из-за сильного легирования полупроводниковых материалов. Предельная рабочая температура туннельного диода будет определяться типом полупроводникового матери­ала (шириной запрещенной зоны) и степенью его легирования. Так, у германиевых туннельных диодов отрицательный учас­ток сопротивления пропадает при температуре +250° C, у кремниевых—при +400° C, у арсенидгалиевых —при+600°С.

Следует упомянуть и еще об одной особенности туннельно­го диода, опять определяемой принципом работы прибора. Это малая чувствительность к ядерному облучению (диоды из арсенида галлия выдерживают 1016—1017 нейтронов/см2). Диффузионные же полупроводниковые приборы из-за резкого влияния ядерного облучения на процессы диффузии сильна меняют свои параметры даже при малых дозах радиации. Ма­лая чувствительность туннельных диодов к ядерному облуче­нию в сочетании с возможностью работать при высокой тем­пературе позволяет надеяться на то, что их можно будет использовать непосредственно в аппаратуре, находящейся в горячей зоне. В настоящее время изготавливаются туннельные диоды из «традиционного» германия и кремния, а также из интерметал­лических соединений элементов III и V групп таблицы Мен­делеева, причем последние, более перспективны. Лучшим среди этих материалов для изготовления туннельных диодов сейчас является арсенид галлия (Ga As).

Перейти на страницу:  1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11