Лекция 14 типы полупроводниковых

                                   ДИОДОВ.

Фотодиоды.

   Работа различных полупроводниковых приёмников излучения основана на использовании внутреннего фотоэффекта, который состоит в том, что под действием излучения в полупроводниках происходит генерация пар носителей зарядов – электронов и дырок. Дополнительные носители увеличивают электропроводимость. Такая добавочная прово-димость, обусловленная действием фотонов, получила название фото-проводимости.

  Фотодиод – это полупроводниковый диод, в котором используется внутренний фотоэффект. Световой поток управляет обратным током фотодиода. Под воздействием света на электронно-дырочном переходе и прилегающих к нему областях происходит генерация пар носителей заряда (рис. 5.20), проводимость диода возрастает и обратный ток увеличивается. Такой режим работы называется фотодиодным.

      Схема включения фотодиода приведена на рис. 5.21.

       Если светового потока нет, то через фотодиод протекает обычный начальный обратный ток , который называется темновым. А под дей-ствием светового потока ток в диоде возрастает и характеристики рас-полагаются выше (рис. 5.22.). Чем больше световой поток, тем больше ток. Увеличение обратного напряжения на фотодиоде незначительно увеличивает ток (рис. 5.23.). Но при некотором напряжении возникает электрический пробой. Энергетические характеристики фотодиода – это зависимость  I = f (Ф) при U = const линейны и мало зависят от напряжения.

                

Рис. 5.20. Разделение носителей, образованных светом, под действием  электрического поля.

 

                    Основные параметры фотодиодов:

- интегральная чувствительность фотодиодовсоставляет десятки mA/Лм. Она зависит от длины волны световых лучей и имеет максимум при некоторой длине волны, различной для различных полупроводников.

- инерционность фотодиода мала, поэтому фотодиоды могут работать на частотах до нескольких МГц.

- рабочее напряжение составляет 10 ÷ 30 В.

- темновой ток 20µA у германиевых фотодиодов и 2µA у крем-невых фотодиодов.

- ток при освещении составляет сотни µA.

                

         

              Рис. 5.21. Схема включения фотодиода.

       Принцип устройства фотодиода показан на рис. 5.24.

       Рис. 5.22. ВАХ фотодиода для фотодиодного режима.

   

  Рис. 5.23. Энергетические характеристики фотодиода.

               

      Рис. 5.24. Принцип устройства планарного фотодиода.

                        

Имеется несколько разновидностей фотодиодов. У лавинных фото-диодов происходит лавинное размножение носителей в p – n переходе и за счёт этого в десятки раз возрастает чувствительность. В фотодиодах с барьером Шоттки имеется контакт полупроводника с металлом. Эти диоды обладают повышенным быстродействием. Улучшенными свойства-ми обладают фотодиоды с гетеропереходами.

  Условное графическое изображение фотодиода представлено на рис.5.25.

                                       

 Рис. 5.25. Условное графическое изображение фотодиода.

 

 

     5. Варикапы.

  Варикапом называют полупроводниковый диод, рассчитанный на применение в качестве конденсатора, ёмкость которого зависит от при-ложенного к нему напряжения.

                       Основные параметры варикапов:

- ёмкость варикапа  – это ёмкость, измеренная между выводами варикапа при заданном обратном напряжении. Для различных варикапов ёмкость может быть от нескольких единиц до нескольких сотен πФ.

- коэффициент перекрытия по ёмкости  – это отношение ёмкостей варикапа при двух заданных значениях обратного напряжения. Значение этого параметра составляет обычно 2 ÷ 18.

- добротность варикапа  – это отношение реактивного сопротивления варикапа на заданной частоте переменного сигнала к сопротивлению потерь при заданном значении ёмкости или обратного напряжения. Добротность – это величина обратная тангенсу угла диэлектрических потерь. Добротность варикапа измеряют обычно при тех же напряже-ниях смещения, что и ёмкость. Значение добротности может быть – от нескольких десятков до нескольких сотен.

  Варикапы применяют главным образом при настройке  колебатель-ных контуров (рис.5.26.).

         

Рис. 5.26. Схема включения варикапа в колебательный контур.

Изменяя с помощью потенциометра R обратное напряжение, можно изменять резонансную частоту колебательного контура. Добавочный резистор с большим сопротивлением, включён для того, чтобы добротность колебательного контура не снижалась заметно от шунти-рующего влияния потенциометра R. является разделительным. Без него варикап был бы по постоянному напряжению замкнут накоротко катушкой L.

                                   

    Рис. 5.27. Условное графическое изображение варикапа.

  На рис. 5.27 приведено условное графическое изображение варикапа.

                             

 

   ЛЕКЦИЯ 15   ТИПЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ

                                   ДИОДОВ.

                        6. Туннельный диод.

Туннельный диод – это полупроводниковый диод на основе вырож-денного полупроводника, в котором туннельный эффект приводит к появлению на ВАХ при прямом напряжении участка отрицательной дифференциальной проводимости.

       В отличии от остальных полупроводниковых диодов для изго-товления туннельных диодов используют полупроводниковые материалы с очень высокой концентрацией примесей ( ÷ ). Следствием высокой концентрации примесей в прилегающих к p – n переходу областях является:

- малая толщина перехода (примерно  мкм), т.е. на два порядка меньше, чем в других полупроводниковых диодах.

- ввиду большой концентрации примесей происходит расщепление энергетических уровней.

  ВАХ  и энергетические диаграммы туннельного диода приведены на рис. 5.28.

  В туннельном диоде при отсутствии внешнего напряжения существует туннелирование электронов из n области в p область и обратно, Встречные потоки электронов равны и поэтому суммарный ток через туннельный диод равен 0 (рис. 5.28 а).

При небольшом прямом напряжении на туннельном диоде проис-ходит уменьшение высоты потенциального барьера p – n перехода или смещение энергетической диаграммы n области относительно энергетической диаграммы p области. Свободные энергетические уровни p области (занятые дырками) оказываются на одной высоте при одних и  тех же значениях с энергетическими уровнями n области, занятыми электронами. Поэтому будет происходить преимущественно туннелиро-вание электронов из n области в p область (рис. 5.28 б).

При прямом напряжении на туннельном диоде, когда свободные энергетические урони валентной и примесной зон p области окажутся на одной высоте с занятой электронами энергетическими уровнями зоны проводимости и примесной зоны n области, то туннельный ток через туннельный диод будет максимальным (рис. 5.28 в).

  При дальнейшем увеличении прямого напряжения на туннельном диоде туннельный ток через диод будет уменьшаться, так как из-за смещения энергетических диаграмм будет уменьшаться количество электронов, способных туннелировать из n области в p область     (рис. 5.28 г).

       Туннельный ток через туннельный диод окажется равным 0 при некотором ещё большим прямом напряжении, когда, из-за относитель-ного смещения энергетических диаграмм n и p областей, для свободных электронов n области не будет свободных энергетических уровней в p области (рис. 5.28 д). Однако, при этом через туннельный диод будет проходить прямой ток, обусловленный переходом носителей заряда через понизившийся потенциальный барьер p – n перехода, т.е. ток свя-занный с инжекцией носителей.

       С дальнейшим увеличением прямого напряжения в связи с умень-шением высоты потенциального барьера прямой ток через туннельный диод будет расти, как в обычных выпрямительных диодах (рис. 5.28 е).

  При обратном напряжении на туннельном диоде опять возникают условия для туннелирования электронов (рис. 5.28 ж). Только теперь электроны туннелируются из валентной зоны p области в зону прово-димости n области. Возникающий при этом обратный ток будет возрастать с увеличением обратного напряжения по абсолютному значению. Туннельный диод обладает относительно высокой проводи-мостью при обратном напряжении. Можно считать, что у туннельных диодов при малых обратных напряжениях происходит туннельный пробой.

       Условное графическое изображение туннельного диода показано на рис. 5.29.

                   

Рис. 5.28. ВАХ и энергетические диаграммы туннельного диода.

         

                    Основные параметры туннельных диодов:

- пиковый ток  – это прямой ток в точке максимума ВАХ, при котором значение  = 0. Значение пикового тока составляет от десятых долей mA до сотен mA.

                                

Рис. 5.29. Условное графическое изображение  туннельного диода.

- ток впадины  – это прямой ток в точке минимума ВАХ, при котором  = 0.

- отношение токов туннельного диода - это отношение пикового тока к току впадины. Для туннельных диодов из GaAs  10, для германиевых туннельных диодов   = 3 ÷ 6.

- напряжение пика  – это прямое напряжение, соответствующее пиковому току. Для туннельных диодов из GaAs  = 100 ÷ 150 mВ, для германиевых туннельных диодов  = 40 ÷ 60 mВ.

- напряжение впадины  – это прямое напряжение, соответствующее току впадины. Для туннельных диодов из GaAs  = 400 ÷ 500 mВ, для германиевых туннельных диодов  = 250 ÷ 350 mВ.

- напряжение раствора  – это  прямое напряжение, больше напряже-ния впадины, при котором ток равен пиковому.

- удельная ёмкость туннельного диода – это отношение ёмкости туннель-ного диода к пиковому току.

- предельная резистивная частота  – это расчётная частота, при которой активная составляющая полного сопротивления последовательной цепи, состоящей из p – n перехода и сопротивления потерь, обращается в 0.

- резонансная частота  – это расчётная частота, на которой общее реактивное сопротивление p – n перехода и индуктивности корпуса туннельного диода обращается в 0.

  На рис. 5.30 представлена простейшая схема усилителя на туннельном диоде.

                 

Рис. 5.30. Простейшая схема усилителя на туннельном диоде.

Обращённый диод.

  Обращённым называется диод на основе полупроводника с критической концентрацией примесей, в котором проводимость при обратном напряжении вследствие туннельного эффекта значительно больше, чем при прямом напряжении.

  При концентрации примесей в p и n областях диода, меньше чем у туннельных диодов, но больших, чем в обычных диодах, можно получить диод, энергетическая диаграмма которого показана на рис. 5.31.

Потолок валентной зоны p области и дно зоны проводимости n области при нулевом смещении на диоде, находится на одной высоте по энергетической диаграмме.

         Обратная ветвь ВАХ обращённого диода аналогична обратной ветви ВАХ туннельного диода, так как при обратном напряжении про-исходит туннелирование электронов из валентной зоны p области в зону проводимости n области. Поэтому обратный ток в обращённом диоде оказывается большим при ничтожно малом обратном напряжении (десятки mВ).

                           

Рис. 5.31. Энергетическая диаграмма обращённого диода.

        

      Прямая ветвь ВАХ обращённого диода аналогична прямой ветви ВАХ обычного выпрямительного диода, так как при прямом напряже-нии на обращённом диоде прямой  ток может быть образован только в результате инжекции носителей заряда через потенциальный барьер в p – n переходе. Но заметная инжекция может наблюдаться только при прямом напряжении в несколько десятых долей вольта. При  меньшем напряжении прямой ток в обращённом диоде оказывается меньше обратного (рис. 5.32.).

       На рис. 5.33 показано графическое изображение обращённого диода.

       Таким образом, обращённые диоды обладают выпрямляющим эффектом, но проводящее направление у них соответствует обратному включению, а запирающее (непроводящее) прямому включению.

                           Достоинства обращённого диода:

- он способен работать при малых уровнях сигнала.

- он обладает хорошими частотными свойствами, так как туннели-рование – это процесс малоинерционный, а эффекта накопления неоснов-ных носителей при малых прямых напряжениях, практически нет. Поэтому обращённые диоды можно  использовать на СВЧ.

          

                Рис. 5.32. Семейство ВАХ обращённого диода.

                           

Рис. 5.33. Графическое изображение обращённого диода.      

- из-за относительно большой концентрации примесей в прилегающих к p – n переходу областях, обращённые диоды оказываются малочувстви-тельными к воздействию проникающей радиации.