Физика туннельного диода
Что касается туннельных диодов на основе кремния и интерметаллических соединений, то отсутствие достаточного количества опубликованных данных по исследованию температурных зависимостей параметров не дает возможности в настоящий момент сделать обобщающие выводы и установить закономерности. Однако качественные предположения об этих зависимостях могут быть сделаны на основе зонной структуры этих полупроводников. Так, зависимость тока максимума от температуры туннельных диодов из интерметаллических соединений будет по характеру подобна этой зависимости у германиевых диодов, так как в этих соединениях предполагаются прямые туннельные переходы (без взаимодействия электрона с решеткой). В кремнии, где туннельные переходы не прямые (с определенным взаимодействием электрона с решеткой), при увеличении температуры будет наблюдаться рост тока максимума. Можно с уверенностью сказать, что экспериментальные данные по этим материалам, которые, вероятно, будут опубликованы в ближайшее время, позволят установить характер температурных зависимостей основных параметров туннельных диодов из этих полупроводников.
Зависимость параметров туннельного диода от свойств полупроводникового материала. Сравнительная оценка диодов из разных материалов.
Чтобы полностью понять физику работы туннельного диода и выяснить возможность изготовления приборов с заданными параметрами, определяемыми областью применения диода, необходимо найти зависимость основных параметров от степени легирования полупроводникового материала и от типа материала. Знание таких зависимостей позволит осмысленно подойти к выбору типа материала, на основе которого будет изготовлен туннельный диод, и необходимой степени легирования, обеспечивающей получение требуемых свойств готового прибора.
Теоретическое изучение степени легирования p- и n-областей туннельного диода показало его сильное влияние на вольтамперную характеристику туннельного диода. Это влияние может быть показано на примере германиевых туннельных диодов, приняв во внимание, что концентрация примесей в p-области диода превосходит концентрацию примесей в n-области.
При увеличении концентрации доноров в n-области изменение вольтамперной характеристики туннельного диода лучше всего проследить на анализе зонной диаграммы, используя рис. 6, где представлен случай одинакового легирования p- и n-областей диода. Легко заметить, что ток максимума характеристики диода будет увеличиваться при почти неизменном напряжении u1, соответствующем этому току, так как ток в прямом направлении определяется туннельным переходом электронов проводимости n-области, число которых возрастает при увеличении концентрации доноров. Соответствующие этому случаю вольтамперные характеристики
 |
Несколько иная картина получается при увеличении степени легирования p-области. При этом будет возрастать не только ток максимума, но и напряжение u1 (рис. 10,6), что потребуется для компенсации возросшего обратного потока носителей, определяемого туннельным переходом валентных электронов дырочной области. Экспериментальные данные, совпадающие с теорией, свидетельствуют о том. что главное влияние на характер зависимости тока максимума от степени легирования материала оказывает изменение вероятности туннелирования электронов сквозь барьер. Эта вероятность зависит от толщины барьера (p-n-перехода) и, следовательно, от приведенной концентрации основных носителей пp/(п+p). С возрастанием концентрации доноров или акцепторов ширина перехода уменьшается, что повышает вероятность туннелирования и приводит к росту тока через переход. Интересно отметить, что туннельные диоды на основе германия p-типа могут быть изготовлены со значительно большим отношением
I1/С чем у диодов на основе германия n-типа, так как у первых возможна большая концентрация акцепторов в рекристаллизованной области.
Из сказанного выше видно, что величина напряжения u1 почти не зависит от концентрации примесей в n-области и растет с увеличением концентрации примесей в p-области. Напряжение u2, соответствующее минимуму тока, увеличивается с ростом степени легирования как p-, так и n-области.
Что касается температурной зависимости туннельного тока, то, как мы видели в параграфе, она определяется степенью вырождения p- и n-областей туннельного диода.
Величина отрицательного сопротивления в зависимости от концентрации доноров и акцепторов различается как по абсолютной величине, так и по характеру своего изменения от напряжения. Минимальная величина отрицательного сопротивления при данной площади перехода определяется максимальной растворимостью примесей в полупроводнике, т. е. максимальным значением приведенной концентрации пр/{п+р). Так как емкость p-n-перехода также определяется значением приведенной концентрации (для данной площади), то постоянная времени R С не зависит от площади перехода, а будет почти экспоненциально расти с концентрацией примесей.
Интересно отметить, что отношение I1/С также не зависит от площади перехода и определяется значением приведенной концентрации, по величине которой для различных материалов можно судить о их пригодности для изготовления туннельных диодов. Выше уже было показано, что диоды на основе германия p-типа обладают лучшим отношением I1/C, чем диоды из германия n-типа. У туннельных диодов из арсенида галлия это отношение наибольшее и может составлять 10−15 ма/пф (табл. 1).
Таким образом, степень легирования материала прямо или косвенно определяет все основные параметры туннельного диода, поэтому невозможно одновременно получить оптимальными с точки зрения разнообразных радиотехнических примесей все параметры прибора. Эта трудность может быть устранена индивидуальным выбором материала и степени его легирования, обеспечивающей получение требуемых параметров для каждой специфической области применения диодов.
Перейти на страницу: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11