Вольт-амперная характеристика туннельного диода

На рис. 5.1а приведена вольт-амперная характеристика туннельного диода. Особенность этой характеристики заключается в следующем. В области обратных напряжений обратный ток растет очень быстро с повышением напряжения, т. е. туннельный диод обладает весьма малым обратным дифференциальным сопротивлением. В области прямых напряжений с увеличением напряжения прямой ток сначала растет до пикового значения при напряжении в несколько десятков милливольт, а затем начинает уменьшаться (участок АВ, в пределах которого туннельный диод обладает отрицательной проводимостью. Ток спадает до минимального значения I2 при напряжении порядка нескольких сотен миливольт, в дальнейшем прямой ток вновь начинает увеличиваться с ростом напряжения.

Заштрихованная область вольт-амперной характеристики (рис.5.1 а) соответствует так называемому избыточному току туннельного диода. На этом участке ток туннельного диода определяется суммой двух токов: прямым туннельным током и током диффузии. Однако многочисленные экспериментальные исследования показали, что ток I₂ реального туннельного диода существенно больше тока I₂ идеализированного туннельного диода. Разность этих токов называют избыточным током. Установлено, что он в основном зависит от концентрации технологически неконтролируемых примесей и степени легирования исходного материала, но окончательно природа избыточного тока неясна.

Дифференциальная проводимость G при изменении смещения от 0 до U₃ дважды (в точках, соответствующих напряжениям U₁ и U₂) обращается в нуль, т. е. туннельный диод способен дважды разорвать внешнюю электрическую цепь, превращаясь из пассивного элемента в активный и наоборот. Это обстоятельство привело к широкому применению туннельных диодов в импульсной технике.

Ток, протекающий через туннельный диод, содержит пять составляющих:

— туннельный ток , обусловленный туннельным переходом электронов из валентной зоны p-области в зону проводимости n-области;

— туннельный ток , обусловленный туннельным переходом электронов из зоны проводимости n-области в валентную зону р-области;

— дрейфовый ток неосновных носителей обеих областей через р-п переход I_др;

— диффузионный ток основных носителей обеих областей через р-n переход I_диф;

— так называемый избыточный ток, который можно рассматривать как частный случай тока — туннельного перехода носителей с использованием разрешенных (примесных или дислокационных) уровней в запрещенной зоне.

Таким образом, результирующий ток через переход

(5.1)

а) б) в)

Рис. 5.1. Характеристики туннельного диода: а), в) вольт-амперные; б) зависимость проводимости диода от напряжения

Подчеркнем различие между туннельными токами сквозь барьер и дрейфовым и диффузионным токами через барьер; в первом случае электроны переходят из валентной зоны одной области в зону проводимости другой области или в обратном направлении; во втором случае электроны (или дырки) переходят из зоны проводимости (валентной) одной области в ту же самую зону другой области. На рис. 5.1 в вольт-амперная характеристика туннельного диода представлена как зависимость суммы токов I_{n р}, I_{p n} и обычного диодного (диффузионного и дрейфового) тока от приложенного напряжения.

Теперь рассмотрим более подробно вольт-амперную характеристику туннельного диода по выделенным на ней отдельным точкам (а, б, в, г, д, е, ж, рис. 5.2):

а) при нулевом смещении электронам проводимости n-области противостоят валентные электроны р-области (рис. 5.2, а). Если все указанные уровни заполнены, то туннельные переходы невозможны. В действительности при комнатной температуре некоторая часть этих уровней освобождается за счет электронов, переброшенных на уровни, расположенные выше уровня Ферми. Поэтому существует определенная вероятность, что валентный электрон р-области, не меняя своей энергии, совершит туннельный переход и займет соответствующий уровень в зоне проводимости n-области. Существует точно такая же вероятность туннельного перехода электрона проводимости n-области в валентную зону p-области. Так как эти вероятности одинаковы, то встречные потоки электронов, совершающих туннельные переходы, взаимно компенсируются и суммарный туннельный ток оказывается равным нулю (I_Т=0, рис. 5.2, а). При дальнейших рассуждениях эти составляющие учитываться не будут;

Рис. 5.2. Энергетические диаграммы туннельного диода при различных напряжениях смещения и его вольт-амперная характеристика

б) если к p-n-переходу приложить небольшое прямое напряжение, то энергетические уровни р-области понизятся относительно энергетических уровней n-области (рис. 5.2, б). В этом случае уровни некоторых электронов проводимости n-области расположатся против свободных уровней, находящихся в валентной зоне р-области, что создает благоприятные условия для их туннельного перехода. Поэтому в р-n-переходе появится туннельный ток, величина которого будет зависеть от смещения энергетических зон, т. е. от приложенного прямого смещения (туннельный ток протекает от р-области к n-области в направлении, противоположном движению электронов);

в) при увеличении прямого смещения туннельный ток будет увеличиваться до тех пор, пока не произойдет совмещение уровня Ферми n-области с верхним уровнем валентной зоны р-области. В этом случае туннельный ток достигает максимума, так как против уровней электронов проводимости n-области располагаются все свободные уровни валентной зоны р-области, превышающие уровень Ферми (рис. 5.2, в);

г) при дальнейшем увеличении прямого смещения некоторые уровни электронов проводимости n-области располагаются против запрещенной зоны р-области и туннельный ток уменьшается (рис. 5.2, г). В результате на вольт-амперной характеристике получается участок с отрицательным сопротивлением;

д) при некотором значении прямого напряжения зона проводимости n-области и валентная зона р-области начинают расходиться и туннельный ток прекращается (рис.5.2,д,е);

е) при прямом напряжении в р-n-переходе наряду с туннельным током появляется диффузионный ток, как у обычного диода (на вольт-амперной характеристике он показан штриховой линией). При расхождении зоны проводимости n-области с валентной зоной р-области (начиная с точки д) существует только диффузионный ток и туннельный диод при таком условии подобен обычному диоду, включенному в прямом направлении (рис.5.2, д, е);

ж) при обратном смещении р-n-перехода туннельного диода валентная зона р-области перекрывается с разрешенными и незаполненными уровнями зоны проводимости n-области. При этом возникают условия для относительно свободного туннельного прохождения валентных электронов р-области в зону проводимости n-области. В результате этого появляется значительный туннельный ток обратного направления, величина которого очень сильно зависит от смещения зон, т. е. от величины обратного напряжения (рис. 5.2, ж).

Рис. 5.3. Вольт-амперные характеристики германиевых и арсенидгаллиевых туннельных диодов

На рис. 5.3 приведены для сравнения вольтамперные характеристики туннельных диодов из различных полупроводниковых материалов. Из рисунка видно, что диоды из арсенида галлия обладают наибольшим отношением I₁/I₂и напряжением переключения U_n .

Из вышесказанного следует, что туннельный диод не имеет запирающего направления. Рабочим участком вольт-амперной характеристики туннельного диода является участок в—д(рис.5.2), на котором он обладает отрицательным динамическим (дифференциальным) сопротивлением:

R_i=dU/dI < 0 (5.2)

Минимальное абсолютное значение этого сопротивления является одним из основных параметров туннельного диода. Для различных типов диода оно имеет значение от единиц до десятков Ом.

Другими основными параметрами туннельных диодов являются (рис. 5.1 а):

— максимальный прямой ток I₁ в точке максимума вольт-амперной характеристики;

— минимальный прямой ток I₂ в точке минимума вольт-амперной характеристики;

— отношение токов в максимуме и в минимуме вольтамперной характеристики I₁/I₂;

— отрицательная дифференциальная проводимость G на участке АВ в точке максимума производной;

— напряжение переключения ΔU_n = U₃—U₁, которое определяет возможный скачок напряжения на нагрузке при работе туннельного диода в схеме переключения;

— барьерная емкостьC(U₂) диода, которая обычно измеряется при минимуме тока.

— емкость в максимуме тока равна C(U₁) 0,8C(U₂).

— напряжения, соответствующие максимальному и минимальному значениям тока U₁ и U₂,

— напряжение раствора U₃, соответствующее максимальному току на второй восходящей ветви вольт-амперной характеристики.

Рис. 5.4. Эквивалентная схема туннельного диода

На рис. 5.4 приведена эквивалентная схема туннельного диода по переменному току. Она состоит из барьерной емкости p-n-перехода С_б; динамического (отрицательного) сопротивления R_i - величины обратной крутизне ВАХ; сопротивления кристалла полупроводника, контактов и подводящих проводов r_s; индуктивности выводов диода L - полной последовательности индуктивности диода при заданных условиях и емкости корпуса С_кор. Емкость между выводами диода :

С=С_б+С_кор (5.3)

Основным преимуществом туннельных диодов является сохранение ими отрицательного сопротивления вплоть до сотен гигагерц. Дело в том, что туннельный ток не связан с медленными процессами диффузии или дрейфа носителей, а распространяется как обычный ток в проводнике со скоростью света.

Емкость перехода при толщине последнего порядка 10^-2 мкм составляет С=0,10,5пФ. Так как от величины емкости зависят частотные свойства туннельного диода, ее стремятся сделать минимальной. Индуктивность L (порядка 10^-10Гн) является паразитным параметром, так как ограничивает собственную резонансную частоту ω_о. Для уменьшения L контакты осуществляют мембраной, прижимом массивного электрода и т. п. Величина r_sизмеряется десятыми долями Ом и единицами Ом.

Полное сопротивление схемы при данной частоте ω:

, (5.4)

где R_{i min2}= 1/С.

Приравнивая к нулю действительную часть полного сопротивления, находим предельную частоту, на которой туннельный диод способен генерировать колебания:

. (5.5)

Максимальное значение предельной частоты получается при R_imin=2r_s. Следовательно, частотные свойства туннельного диода определяются постоянной времениr_sС.

Уменьшать емкость С путем уменьшения площади перехода нецелесообразно, так как при этом уменьшается и пиковый ток I₁, что увеличит отрицательное сопротивление, и, следовательно, предельная частота останется без изменения. Таким образом, при уменьшении С ток I₁ должен оставаться неизменным, поэтому качество туннельного диода удобно характеризовать отношением .

Для изготовления туннельных диодов применяются различные полупроводниковые материалы: германий, кремний, арсенид галлия, фосфат индия, арсенид индия, антимонид индия и антимонид галлия.Выбор материала в значительной степени определяется требуемыми параметнами прибора. Наиболее перспективным материалом является арсенид галлия, обладающий наилучшими параметрами. Для германиевых диодов в качестве доноров используют фосфор или мышьяк, а в качестве акцепторов — галлий или алюминий. Для арсенид-галлиевых - олово, свинец, серу, селен, теллур (доноры), цинк, кадмий (акцепторы). Для получения узкого p-n-перехода применяется метод вплавления или диффузии примесей.

Основными достоинствами туннельного диода являются:

— высокие рабочие частоты — до 40 ГГц и весьма малое время переключения, которые определяются преимущественно конструктивными особенностями, а не временем прохождения электронами р-n перехода, составляющим около 10^-13сек;

— высокая температуростойкость; у арсенид-галлиевых туннельных диодов рабочая температура достигает +600°С, у германиевых - до +200°С. Возможность работы туннельных диодов при более высоких температурах по сравнению с обычными диодами объясняется тем, что в них используется вырожденный полупроводник с большой концентрацией примесей. При большой концентрации примесей концентрация электронов велика и влияние собственной электропроводности сказывается при более высоких температурах;

— низкий уровень шума;

— большая плотность тока, свойственная туннельному эффекту, достигающая 10^3.10⁴ А/см².

Как недостаток, следует отметить малую мощность туннельных диодов из-за низких рабочих напряжений и малых площадей перехода. Ких недостаткам следует отнести так же то, что они являются двухполюсниками. Поэтому в ряде схем, созданных на туннельных диодах, возникают определенные сложности с разделением цепей входа и выхода. Кроме того, туннельные диоды нуждаются в высокостабильных источниках питающих напряжений.

Выпрямительные диоды должны иметь, возможно, меньшую величину обратного тока, что определяется концентрацией неосновных носителей или, в конечном счете, степенью очистки исходного полупроводникового материала. Типовая вольт-амперная характеристика выпрямительного диода описывается уравнением (1.16) и имеет вид, изображенный на рис. 2.6.

Рис 2.6. Вольт-амперная характеристика выпрямительного диода

По вольт-амперной характеристике выпрямительного диода можно определить следующие основные параметры, влияющие на его работу:

1. Номинальный прямой ток – среднее значение тока, проходящего через открытый диод и обеспечивающего допустимый его нагрев при номинальных условиях охлаждения.

2. Номинальное прямое напряжение – среднее значение прямого напряжения на диоде при протекании среднего прямого тока. Этот параметр является очень важным для обеспечения параллельной работы нескольких диодов в одной электрической цепи.

3. Напряжение отсечки , определяемое точкой пересечения линейного участка прямой ветви вольт-амперной характеристики с осью напряжений.

4. Пробивное напряжение – обратное напряжение на диоде, соответствующее началу участка пробоя на вольт-амперной характеристике, когда она претерпевает излом в сторону резкого увеличения обратного тока.

5. Номинальное обратное напряжение – рабочее обратное напряжение на диоде; его значение для отечественных приборов составляет . Этот параметр используется для обеспечения последовательного включения нескольких диодов в одну электрическую цепь.

6. Номинальное значение обратного тока – величина обратного тока диода при приложении к нему номинального обратного напряжения.

7. Статическое сопротивление диода:

,

(2.1)

где – величина прямого тока диода; – падение напряжения на диоде при протекании тока .

Статическое сопротивление диода представляет собой его сопротивление постоянному току.

Кроме рассмотренной системы статических параметров в работе диодов важную роль играет система динамических параметров:

1. Динамическое (дифференциальное) сопротивление :

,

(2.2)

где – приращение прямого тока диода; приращение падения напряжения на диоде при изменении его прямого тока на .

Динамическое сопротивление играет важную роль и в рассмотрении процессов при обратном включении диода, например, в стабилитронах. Там динамическое сопротивление определяется через приращение обратного тока и обратного напряжения.

2. Скорость нарастания прямого тока . Этот параметр является очень важным при включении силовых диодов в цепи, где возможно очень быстрое нарастание прямого тока (например, в цепях, имеющих емкостный характер). Если ток через диод не превышает допустимого значения, но имеет очень крутой фронт нарастания, то в полупроводниковом кристалле возможно возникновение явления, называемого шнурованием тока, когда ток в первый момент времени из-за неоднородностей в p-n-переходе сосредоточится в узкой области p-n-перехода, имеющей наименьшее сопротивление, образуя так называемый «шнур». Плотность тока в «шнуре» может оказаться недопустимо большой, что приведет к проплавлению полупроводниковой структуры и выходу прибора из строя. Поэтому для силовых диодов этот параметр часто нормируется в паспортных данных с указанием его предельного значения.

Для защиты силовых диодов от выхода из строя из-за большой скорости нарастания тока можно последовательно с диодом включить небольшой дроссель (рис. 2.7. а) Наличие дросселя в цепи приводит к затягиванию фронта нарастания тока с величины , до безопасной величины (рис. 2.7. б).

Рис. 2.7. Способ уменьшения скорости нарастания прямого тока

3. Скорость нарастания обратного напряжения . Если фронт нарастания обратного напряжения на силовом диоде будет очень крутой (это характерно для цепей с индуктивным характером), то импульс обратного тока диода с учётом собственной ёмкости p-n-перехода будет равен

(2.3) где – скорость нарастания обратного напряжения.

Даже при сравнительно небольшой величине ёмкости импульс тока может представлять собой опасность для полупроводниковой структуры, если второй сомножитель в выражении (2.3) будет достаточно большим. Для защиты силовых диодов в этом случае их шунтируют защитной цепочкой (рис. 2.8), причём ёмкость выбирают больше величины собственной ёмкости p-n-перехода. Тогда импульс обратного тока, в основном, будет проходить по защитной цепочке, не принося вреда самому диоду.

Рис. 2.8. Способ уменьшения скорости нарастания обратного напряжения

4. К числу динамических параметров относится и величина собственной ёмкости p-n-перехода силового диода .