Рис. 9-18. Графики распределения примесей в р-п переходах: резком (а), плавном (б) н с обратным градиентом концентрации примеси (в). Штриховой линией показаны реальные Распределения для р-п переходов, изготовленных путем сплавления (а), диффузии (б) и двойной диффузии (в), d - ширина обедненного слоя.

ка через р-п переход, а Тр н Хп - времена жизни дырок в р-области и электронов в п-области. По мере повышения частоты диффузионная емкость уменьшается и стремится к нулю на частотах ш>т~, тг .

Туннельный эффект

Помимо прохождения прямого тока за счет носителей, преодолевающих потенциальный барьер, в особенно тонких р-п переходах, получаемых сильным легированием полупроводника примесями, т. е. в низ-коомных материалах (р<0,5 ом-см), наблюдается особый механизм проводимости.

р-область

п-область

Рис. 19-19. Энергетическая схема р-п перехода при наличии вырождения в обеих областях.

называемый туннельным аффектом. Сильное легирование приводит к высокой концентрации основных носителей, соизмеримой с концентрацией разрешенных уровней в зоне проводимости полупроводника ге-типа или в валентной зоне полупроводника р-типа. Такие полупроводники называются вырожденными и отличаются тем, что уровень Ферми находится в непосредственной близости к границе запрещенной зоны или даже попадает в зону проводимости (п-типа) или в валентную (р-типа) (рис. 9-19). Вероятностные соотношения квантовой механики устанавливают, что ес-

ли толщина d р-п перехода будет достаточно малой, то возможно проникновение электрона из зоны проводимости п-области непосредственно в валентную зону р-области. ибо при этом не требуется существенных

Рис. 9-20. Вольт-амперная характеристика р-п перехода с туннельным эффектом.

изменений энергии электрона. Такой переход электрона под потенциальным барьером и назван туннельным эффектом.

Туннельный эффект возможен при обратных и небольших прямых напряжениях, пока дно зоны проводимости в п-области располагается ниже потолка валентной зоны в р-области. При достаточно больших прямых напряжениях ток, обусловленный туннельным эффектом, пропадает и наблюдается обычный диодный механизм прямого тока. В области умеренных прямых напряжений, где ток туннельного эффекта падает, а диодный ток нарастает еще медленно, в вольт-амперной характеристике рассматриваемого р-п перехода появляется участок отрицательного дифференциального сопротивления (рис. 9-20).

На этом явлении основано действие туннельных диодов, пригодных для усиления и генерирования СВЧ колебаний и для построения сверхбыстродействующих импульсных устройств.

Малая инерционность туннельных диодов обусловлена тем обстоятельством, что при туннельном эффекте носители переходят в другую энергетическую зону и таким образом остаются основными. При этом их дальнейшее движение представляет собой не диффузию, а дрейф в электрическом поле, создаваемом внешней э.д.с.

В германиевых и кремниевых диодах используются монокристаллические пластинки соответствующих полупроводниковых материалов. К полупроводниковым диодам близки меднозакисные (купроксные) и се-

Рис. 9-22. Полупроводниковые диоды.

а -точечный; б - плоскостной; /- монокристаллическая пластинка полупроводника (германий, кремний); г--контактная металлическая игла; 3 - электродный сплав; 4 -- р-п переход; 5 - кристаллодер-жатель; 6 - вывод.

Рис. 9-21. Вольт-амперная характеристика обращенного диода.

Использование весьма низкоомных материалов, малая толщина обедненного слоя и работа на основных носителях придают туннельным диодам ряд других преимуществ, в частности высокую температурную стабильность и противорадиационную устойчивость.

При удельных сопротивлениях областей р-п-перехода, несколько больших, чем применяются в туннельных диодах, можно добиться смещения точки развития туннельного эффекта на вольт-амперной характеристике р-п перехода к нулевому напряжению. При этом туннельный эффект сохранится лишь при обратных напряжениях и вызовет резкий пробой в самом начале обратной ветви вольт-амперной характеристики, а прямая ветвь примет такой же вид, как у обычного диода (рис. 9-21). Приборы с такими характеристиками называются обращенными диодами, поскольку обратный ток у них нарастает быстрее прямого; они представляют большой интерес для индикации н детектирования слабых сигналов и для решения других нелинейных задач прн низких уровнях напряжения.

9-4. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ Диоды-выпрямители и детекторы

Полупроводниковые приборы, структура которых содержит контакт типа металл - полупроводник или р-п переход, придающий им свойства односторонней проводимости, называются диодами.

Диоды с контактом типа металл - полупроводник образуют группу точечных диодов, а с контактом типа р-п перехода - плоскостных диодов (рис. 9-22).

леновые вентили с запорным слоем на контакте металл - поликристаллический полупроводник, однако по всем характеристикам эти вентили уступают диодам.

Рис. 9 23. Семейство вольт-амперных статических характеристик полупроводникового диода прн различных температурах.

Рис. 9-24. Определение сопротивления постоянному току и дифференциального сопротивления по статической характеристике в точках / и 2.

Вольт-амперная характеристика выражает зависимость тока, проходящего через диод, от величины и полярности приложен-

иого к нему постоянного напряжения (рис. 9-23).

Прямая ветвь (в пределах правого верхнего квадранта) соответствует пропускному направлению тока и прямой полярности напряжения, а обратная (в пределах левого нижнего квадранта) - запорному направлению тока и обратному напряжению. Прямой ток достигает значительных величин при падениях напряжения на диоде 0,3-I в. Обратный ток сначала медленно увеличивается при повышении обратного напряжения, но при достаточно высоком обратном напряжении наблюдается резкое нарастание обратного тока, обычно называемое пробоем.

При повышении температуры как прямой, так и обратный токи увеличиваются.

Вместо графического представления вольт-амперных характеристик часто указывают параметры, характеризующие отдельные точки вольт-ампериой характеристики:

прямой ток - это ток при определенном (обычно 1 в) прямом напряжении или прямое падение напряжения при оговариваемой величине тока;

обратный ток при определенном обратном напряжении (обычно близком к пробивному) или обратное напряоюение при оговариваемой (достаточно большой) величине обратного тока.

Прямое и обратное сопротивления (рис. 9-24). Различают прямое и обратное сопротивления для постоянного тока (статические сопротивления):

пр -

(9-37а)

обр -

1обр

(9-376)

и аналогичные дифференциальные (динамические) сопротивления:

обр -

dinp

(9-386)

рующие понижение эффективности однопо-лупериодного выпрямителя (детектора) с повышением частоты при определенных сопротивлениях нагрузки. Вместо частотных характеристик иногда указывают граничную частоту диода - частоту, на которой выпрямленный ток снижается до определенного уровня (например, в раз) по сравнению с низкочастотным значением.

(9-38а).

dIo6p

Последние характеризуют свойства диода по отношению к малым приращениям или к переменным составляющим, наложенным на большие постоянные токи и напряжения.

Дифференциальные сопротивления в общем случае существенно отличаются от сопротивлений постоянному току (в частности, всегда пр</?пр), и, кроме того, все они зависят от рабочей точки диода (от величины постоянного напряжения или тока, рис. 9-25).

Частотные характеристики диодов. По мере повышения частоты приложенного к диоду переменного напряжения выпрямительные свойства диода ухудшаются. Для описания этого явления приводят частотные характеристики (рис. 9-26), иллюстри-

Рис. 9-25. Завнсикость сопротивления диода от напряжения и тока.

0,1 1 W гоомгщ

Рве. 9-26. Частотные характеристики детекторов..

Проходная емкость диода - емкость., шунтирующая выпрямляющий контакт. Она. оказывает вредное действие, когда диод заперт, и складывается из барьерной емкости запорного слоя (6собй но большой у плоскостных диодов) и конструктивной емкости выводов и корпуса диода.

У точечных диодов проходная емкость лежит в пределах 0,5-2 пф, а у плоскостных при большой плоп)ди р-п перехода может достигать сотен пикофарад.

Барьерная емкость плоскостных диодов, изготовляемых методом вплавленин примесей, уменьшается с повышением обратного напряжения:

]/фк + С/обр

(9-39)

где а - постоянная для данного диода величина;

Фк - контактная разность потищиалов (несколько десятых долей вольта).,.