Трансформатор Электрические машины Проводниковые материалы Расчет мостового выпрямителя с фильтром Двухполупериодные выпрямители Туннельный диод Диэлектрик и идеальный проводник


Курс лекций по физике для студентов технических университетов. Расчеты в электрических цепях

Свойства p-n перехода В микроволновом диапазоне

Концептуальная диаграмма.

Эффект накопления заряда.

Диоды с накоплением заряда.

Технологические особенности изготовления диодов СВЧ диапазона.

Контрольные вопросы.

4.1. Концептуальная диаграмма

 


4.2. Эффект накопления заряда

Частотные свойства p-n-перехода определяются инерционностью процессов накапливания и рассасывания неосновных носителей заряда. Длительность этих процессов зависит от времени жизни неосновных носителей tр, и при уменьшении этого времени частотные свойства диодов улучшаются.

Уменьшение времени жизни неосновных носителей достигается введением специальных примесей, энергетические уровни которых расположены вблизи середины запрещенной зоны («глубокие уровни») и увеличивают вероятность рекомбинации. Например, введение золота в кремний n-типа снижает время жизни дырок до (1—5).10-9 с.

Быстродействие диодов с р-n-переходом зависит также от закона распределения примесей (доноров и акцепторов) по структуре. Исследование этого вопроса привело к созданию диодов с накоплением заряда (ДНЗ).

Рассмотрим в чем заключается эффект накопления заряда.

В случае подачи на диод коротких импульсов напряжения длительностью порядка единиц или долей микросекунды необходимо учитывать инерционность его включения и выключения, обусловленную переходными процессами. При протекании прямого тока через диод в его базе из-за инжекции накапливаются неосновные неравновесные носители заряда. Если изменить полярность приложенного к диоду напряжения с прямой на обратную, этот заряд рассасывается постепенно, и возникающий обратный ток вследствие высокой концентрации неосновных неравновесных носителей в базе окажется вначале значительно больше статического тока насыщения; величина его будет ограничиваться лишь внешней нагрузкой. Следовательно, при быстром переключении с прямого напряжения на обратное диод запирается не сразу. Это явление связано со спецификой работы p-n-перехода и обусловлено так называемым эффектом накопления заряда.

Диоды с накоплением заряда

Распределение концентрации примесей в диодах с накопление заряда показано на рис.4.1 а. Переход создается в результате диффузии акцепторной примеси в полупроводник n-типа с равномерной концентрацией донорной примеси Nд. Концентрация акцепторов Na убывает по экспоненциальному закону и p-n-переход образуется вблизи сечения х0 , где Nа=Nд. Концентрация дырок в р-области (рис. 4.1 б) определяется разностью Na — Nд , а электронов в n-области — разностью Nд—Na. Появление градиентов дырок и электронов вызовет диффузию. В n-области электроны (основные носители) начнут перемещаться из мест с большей концентрацией в места с меньшей концентрацией и вызовут нарушение электрической нейтральности. В правой части n-области, откуда ушли электроны, проявится положительный заряд донорных ионов, а в левой части — отрицательный заряд пришедших сюда электронов. Таким образом, в n-области возникает электрическое поле Еn (см. рис.4.1б). Это поле вызовет в n-области дрейфовый ток электронов, направление которого противоположно диффузионному току. Когда дрейфовый ток станет равен диффузионному, наступает состояние равновесия, характеризуемое определенным значением напряженности электрического поля Еп в n-области. Такие же процессы происходят в р-области, в которой появится поле с напряженностью Ер. При подаче на диод прямого напряжения происходит инжекция дырок в n-область и электронов в p-область. Однако в ДНЗ электрическое поле Еп препятствует диффузии инжектированных дырок вглубь n-области, поэтому они концентрируются (накапливаются) вблизи перехода. Аналогично инжектированные электроны накапливаются в р-области вблизи границы перехода. В отличие от диодов с равномерным распределением акцепторов и доноров, в ДНЗ инжектированные электроны и дырки оказываются «сгруппированными» около границ перехода.

а)

б)

Рис. 4.1 Распределение концентрации:

а) примесей; б) дырок в р-области

При скачкообразном изменении напряжения с прямого на обратное в момент t=0 на рис. 4.2 концентрация ранее инжектированных неосновных носителей на границах перехода должна уменьшиться. Появление градиента концентрации носителей вызовет диффузионное движение этих носителей, которые потом перейдут в другую область, так как электрическое поле в переходе является для неосновных носителей областей р-n-перехода ускоряющим. Появляется большой обратный ток перехода, который ограничивается сопротивлением цепи (горизонтальный участок на рис. 4.2). Для ДНЗ характерно то, что импульс обратного тока резко обрывается в некоторый момент времени t1, когда хорошо «сгруппированные» около границ перехода неосновные носители заканчивают прохождение перехода. При надлежащем выборе закона распределения примесей в ДНЗ интервал времени от t1 до t2, при котором обратный ток достигнет значения 1,2I0 (I0 — обратный ток в статическом режиме), может составлять сотни или десятки пикосекунд. Поэтому ДНЗ называют также диодами с резким восстановлением обратного тока или обратного сопротивления.

Рис.4.2. Переходная характеристика диода с накоплением заряда

При воздействии на ДНЗ синусоидального напряжения, вызывающего как прямой, так и обратный токи, форма импульсов обратного тока оказывается резко несинусоидальной. Несинусоидальная форма обратного тока обусловливает появление гармонических составляющих высокого порядка с большой амплитудой и возможность эффективного умножения частоты, т.е. спектр периодических импульсов тока содержит много гармоник, поэтому ДНЗ применяются вместо других типов диодов в схемах умножения частоты и позволяют получить бóльший коэффициент умножения. Пример параметров схемы умножения на ДНЗ: частота входного сигнала 2 ГГц, выходного — 10 ГГц, входная мощность 2 Вт, выходная — 0,15 Вт. На более низких частотах можно получить бóльшую выходную мощность.

Основными требованиями, предъявляемые к диодам с накоплением заряда является малая емкость перехода и минимальное сопротивление базы, для чего площадь перехода и толщину базы выполняют малыми. В диодах с накоплением заряда р должно быть достаточно велико, чтобы «удержать» накопленный заряд. Для уменьшения площади перехода до 10-5 см2 в случае работы в наносекундном диапазоне используют меза- или планарно-эпитаксиальную технологию. Следует указать, что эффект резкого восстановления обратного сопротивления в той или иной степени присущ любому полупроводниковому диоду с диффузионным р-n-переходом.


На главную