Физика туннельного диода
Дополнительные параметры могут быть получены из эквивалентной схемы туннельного диода в области отрицательного сопротивления (рис. 9). Верхняя часть схемы содержит элементы собственно диода, а нижняя — элементы внешней цепи туннельного диода. Здесь R- представляет собой отрицательное сопротивление туннельного диода; С — емкость p-n-перехода, шунтирующая это сопротивление;
r — объемное сопротивление материала прибора; L — индуктивности выводов; rвн, Lвн —элементы, учитывающие параметры внешних проводов и внутренние параметры источника. Следует отметить, что из-за сильного легирования материала время жизни носителей будет очень мало, а значит будет мала и диффузионная емкость. Основную долю емкости C будет составлять емкость p-n-перехода, которая зависит от напряжения на переходе следующим образом:
 |
φk — контактная разность потенциалов.
Важным параметром туннельного диода, позволяющим сравнивать приборы, изготовленные из различных материалов, является отношение тока максимума диода к емкости I1/C, называемым фактором качества. Равноценным обратной величине этого параметра является параметр R−·C·(C/I1 = k·R−·C, где k — постоянная, зависящая от типа материала, k ≈ 0.2 в−1 для германия и
k ≈ 0.5 в−1 для арсенида галлия).
Числовые значения этих параметров зависят от материала, концентрации примесей, конструктивного оформления прибора и лежат в пределах: для |R−|=5 — 500 Ом; для C= 1— 200 пф; для L=10−8 − 10−9 гн (диоды с гибкими выводами), 10−9 − lO−10 гн (для диодов в высокочастотных патронах). Величина R может быть уменьшена и до тысячных долей;
ома (разработаны туннельные диоды с пиковым током r. 300 а).
Зависимость параметров от температуры.
Сильное легирование материала туннельного диода обеспечивает возможность работы прибора в широком температурном диапазоне. Тем не менее, для правильного конструирования схем с туннельными диодами необходимо знать поведение основных параметров диода при изменении температуры.
Теоретические исследованияпоказали, а практические опыты подтвердили зависимость температурной стабильности параметров туннельного диода от типа материала и степени его легирования. Поскольку концентрации примесей имеют значительный разброс (даже у приборов одного типа), постольку температурные зависимости могут меняться от диода к диоду и для выявления закономерностей этих зависимостей необходимы массовые испытания.
Наибольшим исследованиям подвергались температурные зависимости тока максимума и минимума вольтамперной характеристики. Характер зависимости тока максимума от температуры определяется типом материала, на основе которого сделан туннельный диод, и степенью его легирования. Вид этой зависимости определяется суммарным влиянием двух факторов, действующих в противоположных направлениях:
изменение ширины запрещенной зоны материала, что приводит к изменению вероятности туннелирования электронов;
изменение с температурой статистических факторов, учитывающих плотность энергетических состояний и их заселенность в полупроводнике.
Второй фактор будет определяющим при малом вырождении материала (относительно слабое легирование), когда туннельный ток обусловлен электронами с энергетических уровней, расположенных около уровня Ферми. С увеличением температуры в этом случае будет наблюдаться уменьшение тока максимума, так как изменится заселенность энергетических уровней. Поэтому туннельные диоды на основе германия n-типа обладают отрицательным температурным коэффициентом тока максимума порядка 0.2—0,3%° C, потому что концентрация примесей в рекристаллизованной области ограничена значением 6·1019 см3.
Изменение ширины запрещенной зоны с температурой будет определяющим в диодах с сильным легированием, так как при глубоком вырождении ток будет определяться туннелированием электронов с уровней, энергия которых значительно меньше энергии, соответствующей уровню Ферми. С ростом температуры ток максимума должен расти (из-за повышения вероятности туннельного эффекта) при уменьшении ширины запрещенной зоны, что наблюдается и на практике у диодов на основе германия p-типа, начиная с определенной концентрации примесей в них (примерно 6·1019 см−3).
Зависимость характера изменения тока максимума туннельного диода с температурой от степени легирования позволяет подобрать такую концентрацию примесей в материале, при которой в широком температурном диапазоне будет наблюдаться малое изменение тока максимума. О величине концентрации примесей можно судить по определяемому ей напряжению u1, соответствующему току максимума диода. Так, германиевые туннельные диоды с напряжением u1 56 — 60 мв обладают минимальной зависимостью тока максимума в диапазоне 100° C.
Зависимость тока минимума I2 (избыточный туннельный ток) от температуры определяется изменением ширины запрещенной зоны, так как заселенность промежуточных энергетических уровней, переход электронов через которые определяет избыточный ток, не зависит от температуры, потому что они значительно удалены от уровня Ферми. Поэтому с ростом температуры ток минимума увеличивается главным образом из-за уменьшения ширины запрещенной зоны.
Отношение тока максимума к току минимума I1/I2 обычно уменьшается с ростом температуры, причем (для диодов на основе германия n-типа) тем сильнее, чем больше это отношение.
Температурные зависимости напряжения u1, соответствующего максимуму туннельного тока, напряжения u0, соответствующего минимальному значению отрицательного сопротивления, и напряжения u1xR, соответствующего минимальному дробовому шуму p-n-перехода, определяются в основном степенью легирования n-области и ослабевают с ростом концентрации примесей в ней. Обычно эти напряжения меняются мало и при увеличении температуры незначительно уменьшаются. Напряжение u2, соответствующее минимуму туннельного тока, с повышением температуры также уменьшается (из-за возрастания диффузионной составляющей тока). Температурный коэффициент напряжения из близок к температурному коэффициенту напряжения обычных германиевых диодов, включенных в прямом направлении.
Перейти на страницу: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11