Физика полупроводниковых приборов Книга 2 - Зи С.
Скачать (прямая ссылка):
отношение пикового тока к величине емкости IP/Cj при напряжении VP.
Скорость переключения туннельного диода определяется током, необходимым
для зарядки емкости перехода, и поэтому зависит от величины тока
источника питания и средней величины произведения RC. Поскольку
отрицательное сопротивление R обратно пропорционально пиковому току, для
быстрого переключения требуется большой показатель скорости переключения
(или малое произведение RC). На рис. 14 приведены зависимости пикового
тока и показателя скорости переключения [263 от ширины обедненного слоя в
германиевых туннельных диодах при 300 К. Мы видим, что для получения
большого показателя скорости переключения необходима малая ширина слоя,
т. е. более сильное легирование.
118
Глава 9
Рис. 15. Вольт-амперные характеристики кремниевого туннельного диода при
трех температурах [30],
0 ом 0,04 0,06 0,03 0J0
к в
С эквивалентной цепью связана другая важная величина - шум-фактор,
определяемый выражением
NF- 1 + -^|Л/|М1Ш, (40)
где | RI |шш-минимальное для данной вольт-амперной характеристики
значение произведения тока на отрицательное сопротивление.
Соответствующая величина R (обозначенная как /?nfg) приведена на рис. 13.
Произведение q\RI\mm!2kT называется шумовой постоянной К', эта величина
является константой для данного материала. Типичные значения К при
комнатной температуре равны 1,2 для Ge, 2,4 для GaAs, 0,9 для GaSb. Шум-
фактор для германиевых туннельных диодов равен ~5 dB при 6 ГГц и ~6 dB
при 14 ГГц.
Помимо использования в СВЧ- и вычислительной технике туннельный диод
полезен для изучения фундаментальных физических параметров. Такой диод
можно использовать для туннельной спектроскопии - метода определения
энергетического спектра полупроводника, в котором зондирование спектра
осуществляется при помощи туннелирования электронов с известным
распределением по энергиям вместо применяемого в оптической спектроскопии
поглощения фотонов фиксированной частоты. Туннельная спек-
Туннельные приборы
119
Рис. 16. Зависимость проводимости dlldV от напряжения для туннельных
диодов, созданных на полупроводниках группы AIIfBv 131].
троскопия использовалась для изучения электронных энергетических
состояний в твердых телах и для наблюдения мод возбуждения в таких
приборах с р-/г-переходами. На рис. 15 приведены вольт-амперные
характеристики кремниевого туннельного диода [30]. При уменьшении
температуры до 4,2 К на кривой появляются две точки перегиба А и В. Эти
точки перегиба соответствуют началу туннелирования g испусканием фононов,
а энергии (или напряжения) в точках Л и Б равны энергиям акустических и
оптических фононов соответственно. Подобные наблюдения проведены на
туннельных переходах в сложных полупроводниках Типа AIUBV. На рис. 16
приведены зависимости проводимости dl/dV от напряжения V для GaP, InAs и
InSb при 4,2 К [31 I. Стрелками указаны энергии, соответствующие энергиям
оптических фононов в этих полупроводниках. Более детальное изучение
непрямого туннелирования может быть проведено при анализе второй
производной d2I/dV^ [32].
9.3, ОБРАЩЕННЫЙ ДИОД
Если концентрации легирующих примесей таковы, что р-и я-области р-п-
перехода близки к вырождению либо слабо вырождены, то при малых смещениях
ток в "обратном" направлении (рис. 17) превышает ток "в прямом"
направлении. Отсюда происходит название такого туннельного диода -
"обращенный диод". В состоянии теплового равновесия уровень Ферми в обра-
120
Глава 9
Рис. 17. Символическое обозначение обращенного диода и его вольт-амперные
характеристики при наличии отрицательного сопротивления (а) и без
отрицательного сопротивления (о).
/
U
щенном диоде очень близок к краям зон. При малых обратных смещениях (при
отрицательном потенциале p-области по отношению к потенциалу л-области)
диаграмма энергетических зон обращенного диода подобна диаграмме,
приведенной на рис. 3, я, с одним отличием - обе стороны перехода теперь
не вырождены. При обратном смещении электроны могут легко туннелировать
из валентной зоны в зону проводимости, что по формуле (19), которую можно
записать в виде
J at В1 ехр (4-1 V \/В2), (41)
будет приводить к возрастанию туннельного тока с ростом приложенного
напряжения V. Здесь В} и B.z - положительные величины, слабо зависящие от
V. Из формулы (41) следует, что обратный ток зависит от напряжения
примерно по экспоненци-" альному закону.
Обращенный диод можно использовать как выпрямитель малых сигналов,
детектор СВЧ-излучения и смеситель. Подобно туннельному диоду, обращенный
диод имеет хорошие частотные характеристики, поскольку его работа не
связана с накоплением неосновных носителей. Кроме того, вольт-амперная
характер и-
Туннельные приборы
121
стика обращенного диода нечувствительна к влиянию температуры и
облучения, и в таких диодах очень мал 1//-шум [33-36].
При работе в нелинейном режиме, например в качестве высокоскоростного
переключателя, характеристикой совершенства прибора служит параметр у,
