Диоды с накоплением заряда и диоды Шотки

 

Диоды с накоплением заряда (ДНЗ) используются для формирования коротких прямоугольных импульсов, возникающих при переключении диода с прямого направления на обратное в результате рассасывания накопленного в базе неравновесного заряда. Это достигается за счет неравномерного легирования области диода (рис. 2.20). Из-за неравномерного распределения примеси в базе диода возникает тормозящее электрическое поле для инжектированных носителей, направленное в сторону перехода. Инжектированные в базу носители прижимаются внутренним полем к p–n переходу, и в базе происходит накопление заряда. При изменении напряжения на диоде с прямого на обратное сопротивление диода остается малым, и накопленные носители экстрагируют в эмиттер. Обратный ток быстро спадает. Внутреннее поле базы ускоряет процесс экстракции носителей через переход, что сокращает время спада обратного тока.

Для повышения быстродействия импульсных диодов широко используются переходы, выполненные на основе контакта металл–полупроводник путем нанесения металла на кремниевую пластинку n–типа. Электроны из полупроводника n–типа переходят в металл, образуя на их границе отрицательный заряд в металле и положительный в полупроводнике. Возникающее при этом электрическое поле препятствует дальнейшему переходу электронов, и в области перехода формируется обедненная область. При подаче на металлический контакт положительного напряжения, приток избыточных электронов восстанавливается, и через переход протекает прямой ток. При подаче отрицательного потенциала на область металла увеличивается потенциальный барьер перехода металл–полупроводник, ток через диод не протекает. Такие диоды называют диодами Шотки или поверхностно-барьерными диодами (ибо электрическое поле образует барьер на поверхности перехода), или диодами горячих носителей (электроны, инжектируемые из металла в полупроводник, имеют высокий энергетический потенциал).

Диоды Шотки обладают следующими преимуществами по сравнению с кремниевыми p–n переходами:

1. Для получения того же тока требуется более низкое прямое напряжение.

2. Электропроводность создается только основными носителями (электронами). Отсутствует накопление неосновных носителей, и время восстановления диода при переключении напряжения с прямого на обратное очень мало. Быстродействие определяется скоростью перезарядки барьерной емкости.

За счет низкого прямого напряжения и высокого быстродействия диоды Шотки используются в выпрямительных и переключающих цепях, а также для увеличения быстродействия транзисторов в цифровых схемах, таких как ТТЛ–логика.

К недостаткам диодов Шотки относятся:

1. Ток утечки немного больше, чем у обычных диодов, использующих p–n переход.

2. Максимальное обратное напряжение ниже, чем у обычных кремниевых диодов.

Вольт–амперная характеристика диодов Шотки такая же, как и у обычных диодов, а обратные токи составляют сотни пА – десятки нА.

 

Туннельные диоды

 

Туннельные диоды – это полупроводниковые приборы на основе вырожденного полупроводника, в котором туннельный эффект приводит к появлению на прямой ветви вольт–амперной характеристики области с отрицательным дифференциальным сопротивлением (характеристика N-образного типа). Они используются для усиления, генерирования и переключения сигналов, и эта многофункциональность прибора объясняется наличием на ВАХ участка с отрицательным сопротивлением.

Для изготовления туннельных диодов используется полупроводниковый материал с очень большой концентрацией примесей () и следствием этого является:

1. Малая толщина перехода (около 0,01 мкм), что на два порядка меньше, чем у обычных диодов.

2. Расщепление примесных энергетических уровней с образованием примесных энергетических зон, которые примыкают к зоне проводимости в n–области и к валентной зоне в p–области.

3. Уровень Ферми располагается у электронного полупроводника в зоне проводимости, а у дырочного – в валентной зоне.

Для простоты рассуждений обычно считают, что все разрешенные уровни, расположенные ниже уровня Ферми, заняты электронами, а расположенные выше него – свободны. На рис. 2.21 представлены вольт–амперная характеристика, энергетические диаграммы и условное обозначение туннельного диода.

В тонких p–n переходах вследствие большей напряженности электрического поля увеличивается вероятность туннельного прохождения электронов сквозь тонкий потенциальный барьер. В диоде при отсутствии внешнего напряжения происходит туннелирование электронов из n–области в p–область и обратно. Встречные потоки электронов равны, поэтому суммарный ток через диод равен нулю (рис. 2.21,а).

При небольшом прямом напряжении происходит смещение энергетических зон, так что часть энергетических уровней, занятых электронами проводимости n–области, начинает располагаться напротив свободных уровней p–области. Это приводит к туннельному переносу электронов из n–области в p–область и протеканию прямого туннельного тока (рис. 2.21,б).

С увеличением прямого напряжения туннельный ток достигает максимального значения, когда все заполненные энергетические уровни зоны проводимости n–области располагаются напротив свободных уровней p–области (рис. 2.21,в).

Дальнейшее увеличение прямого напряжения приводит к тому, что часть заполненных энергетических уровней n–области начинает располагаться против запрещенной зоны p–области, и туннельный ток убывает (рис. 2.21,г).

Когда зона проводимости n–области и валентная зона p–области перестанут перекрываться, туннельный ток прекращается (рис. 2.21,д).

Наряду с туннельным переходом электронов в p–n переходе туннельного диода течет и обычный диффузионный ток, связанный с преодолением потенциального барьера основными носителями (показан штрихпунктирной линией). Таким образом ток туннельного диода имеет две составляющие: туннельную и диффузионную. При напряжениях на диоде, когда туннельная составляющая тока не протекает, туннельный диод представляет собой обычный диод, прямой ток которого определяется током диффузии (рис. 2.21,ж).

При обратном напряжении энергетические уровни p–области смещаются вверх, и верхние уровни валентной зоны оказываются расположенными напротив разрешенных незаполненных уровней зоны проводимости n–области (рис. 2.21,е). При этом электроны из валентной зоны p–области туннелируют в зону проводимости n–области. Обратный ток диода растет с увеличением обратного напряжения по абсолютному значению.

 

 

Туннельный диод может быть представлен эквивалентной схемой (рис. 2.22), где – емкость диода; – индуктивность выводов; – омическое сопротивление потерь; – сопротивление перехода.