Файл: Электроника Ицкович Часть 1.pdf

116

зультирующий

ток

будет

протекать

в

направлении

от

n-

слоя

к

р

-

слою

. 

Этот

ток

очень

быстро

возрастает

с

увеличением

обрат

-

ного

напряжения

 (

см

. 

рис

. 3.8), 

поскольку

плотность

электронов

в

глубине

валентной

зоны

огромна

и

малейшее

приращение

разно

-

сти

Fp

Fn

ϕ − ϕ  

сопровождается

существенным

изменением

потока

электронов

из

р

-

слоя

в

n-

слой

. 

Теперь

приложим

к

диоду

не

-

большое

прямое

напряжение

. 

Энергетическая

диаграмма

для

это

-

го

случая

показана

на

рис

. 3.9, 

в

. 

Легко

заметить

, 

что

поток

элек

-

тронов

из

р

-

слоя

в

n-

слой

сильно

убывает

, 

а

обратный

поток

ме

-

няется

сравнительно

слабо

. 

Следовательно

, 

результирующий

ток

протекает

в

направлении

от

р

-

слоя

к

n-

слою

и

при

небольших

прямых

напряжениях

возрастает

с

увеличением

напряжения

 (

рис

. 

3.8). 

На

рис

. 3.9, 

г

изображены

зонные

диаграммы

перехода

при

напряжении

между

точками

 1 — 2 

статической

вольтамперной

характеристики

 (

рис

 3.8, 

а

). 

На

рис

. 3.9, 

д

зонные

диаграммы

со

-

ответствуют

напряжениям

между

точками

 2 — 3. 

 U 

 U

1 

 U

3 

 U

2 

 1 

 2 

3 

 I 

 I

1 

 I

2 

Рис. 3.8 — Статическая характеристика  

туннельного диода 

Туннельный

диод

представляет

собой

универсальный

при

-

бор

, 

способный

выполнять

все

функции

, 

свойственные

активным

элементам

электронных

схем

. 

Поэтому

вопросы

применения

тун

-

нельных

диодов

составляют

отдельную

область

прикладной

элек

-

троники

. 

Заметим

лишь

, 

что

диодные

схемы

настолько

сильно

отличаются

от

триодных

, 

что

требуют

пересмотра

многих

при

-

вычных

методов

построения

и

расчета

электронных

схем

. 

117

ϕ

F

ϕ

Fn 

U<U

1 

I=2

ϕ

Fn 

  n

  p

U>0

 в 

ϕ

Fn 

  n

  p

ϕ

F 

U=0 

I=0

 а 

  n

U<0 

I=-5

ϕ

Fp 

  p

U<0

 б 

  n

U

1

<U<U

2 

I=1

ϕ

Fp 

  p

U>0

г 

ϕ

Fn 

U>U

2 

I=3

ϕ

Fp 

  n

  p

U>0

 д 

φ

CP 

φ

CP 

φ

CP 

φ

CP 

φ

VP 

φ

VP 

φ

VP 

φ

VP 

Рис. 3.9 — Энергетические диаграммы туннельного  

диода на разных участках характеристики: 

а — равновесное состояние; б — обратное включение,  

в — прямое включение; г — U

1

<U<U

2

; д — U>U

2.

Весьма

интересным

вариантом

туннельного

диода

является

так

называемый

обращенный

диод

, 

характеристика

которого

по

-

казана

на

рис

. 3.10. 

118

Рис. 3.10 — Статическая характеристика  

обращенного диода 

Как

видим

, 

особенность

обращенного

диода

состоит

в

том

, 

что

отсутствует

  (

или

очень

мал

) 

максимум

на

прямой

ветви

. 

В

этом

случае

логично

повернуть

характеристику

на

 180° (

показано

пунктиром

) 

и

считать

прямую

ветвь

обратной

, 

а

обратную

 — 

прямой

. 

Таким

образом

, 

обращенный

диод

имеет

значительно

меньшее

прямое

напряжение

, 

чем

обычные

плоскостные

диоды

(

у

которых

оно

составляет

десятки

и

сотни

милливольт

), 

что

очень

ценно

для

многих

применений

. 

Однако

его

обратное

на

-

пряжение

тоже

весьма

мало

 (0,3 — 0,5 

В

), 

и

с

этим

нужно

счи

-

таться

при

расчете

схем

. 

Технология

туннельных

и

обращенных

диодов

почти

одинакова

, 

различие

состоит

главным

образом

в

подборе

исходных

материалов

 (

у

обращенных

диодов

концентра

-

ция

примесей

меньше

, 

чем

у

туннельных

). 

3.4 

Диоды

Шоттки

 
В

основе

диодов

Шоттки

лежит

контакт

между

металлом

и

полупроводником

. 

Такой

контакт

, 

как

отмечалось

, 

при

определен

-

ных

условиях

может

обладать

выпрямительными

свойствами

. 

Для

этого

необходимо

, 

чтобы

приповерхностный

слой

полупроводни

-

ка

в

равновесном

состоянии

был

обеднен

основными

носителями

и

чтобы

сопротивление

обедненного

слоя

было

много

больше

со

-

противления

остальной

части

полупроводниковой

пластины

. 

Не

-

смотря

на

то

, 

что

теория

контакта

между

металлом

и

полупровод

-

ником

была

развита

более

 60 

лет

назад

, 

реализовать

данный

тип

119

диодов

удалось

лишь

в

 70-

е

годы

. 

На

пути

реализации

такого

, 

ка

-

залось

бы

, 

простого

прибора

стояли

следующие

трудности

: 

во

-

первых

, 

нужно

было

осуществить

контакт

металл

 — 

полупровод

-

ник

без

каких

бы

то

ни

было

промежуточных

слоев

, (

прижимной

контакт

не

обеспечивал

этого

условия

); 

во

-

вторых

, 

нужно

было

добиться

малого

сопротивления

полупроводниковой

пластины

, 

не

жертвуя

при

этом

ее

удельным

сопротивлением

. 

Основным

преимуществом

диодов

Шоттки

по

сравнению

с

диодами

с

р

-n 

переходом

является

тот

факт

, 

что

у

них

отсутствует

явление

ин

-

жекции

неосновных

носителей

при

прямом

смещении

, 

а

значит

, 

и

явления

накопления

и

рассасывания

этих

носителей

. 

Соответственно

инерционность

диодов

Шоттки

обусловлена

только

барьерной

емкостью

контакта

и

может

быть

сделана

весь

-

ма

малой

путем

уменьшения

размеров

структуры

. 

Типичный

диапазон

рабочих

частот

составляет

 3 — 15 

Ггц

, 

а

времена

пере

-

ключения

доходят

до

 0,1 

нс

. 

Еще

одним

преимуществом

диодов

Шоттки

является

то

, 

что

экспоненциальный

характер

статической

вольт

-

амперной

характеристика

сохраняется

для

них

в

гораздо

более

широком

диапазоне

токов

, 

чем

для

обычного

р

-n 

перехода

, 

поскольку

отсутствует

модуляция

сопротивления

базы

неоснов

-

ными

носителями

. 

Обратный

ток

диодов

Шоттки

выражается

формулой

: 

0

1

.

4

s T

I

qn v S

=

Обратные

токи

могут

составлять

всего

несколько

пикоам

-

пер

. 

Обратные

напряжения

лежат

в

пределах

от

 10 

до

 1000 

В

. 

Ве

-

личины

прямых

токов

зависят

, 

конечно

, 

от

площади

структуры

и

качества

теплоотвода

. 

В

настоящее

время

разработаны

диоды

Шоттки

на

прямые

токи

порядка

 50

А

и

более

. 

При

этом

прямое

падение

напряжения

составляет

всего

 0,5 

В

, 

т

.

е

. 

величину

, 

при

-

мерно

вдвое

меньшую

, 

чем

у

кремниевых

диодов

. 

Основным

по

-

лупроводником

 — 

материалом

, 

используемым

в

диодах

Шоттки

, 

является

кремний

. 

В

качестве

металлов

используются

молибден

, 

нихром

, 

золото

, 

а

также

алюминий

.  

120

3.5 

Фотоприёмники

 (

приёмники

оптического

излучения

) 

 
В

живой

природе

оптическая

связь

распространена

весьма

широко

; 

ее

функции

чрезвычайно

разнообразны

. 

Человек

почти

девяносто

процентов

информации

получает

с

помощью

зрения

. 

Основным

элементом

устройств

является

преобразователь

оптических

сигналов

в

электрические

 (

фотоприемники

).  

Из

всех

известных

полупроводниковых

фотоприёмников

фоторезистор

является

наиболее

простым

, 

но

и

наиболее

универ

-

сальным

датчиком

. 

По

отношению

к

сигнальной

цепи

фоторезистор

представ

-

ляет

собой

двухполюсник

, 

переменным

параметром

которого

яв

-

ляется

его

импеданс

Ф

Z . 

При

этом

(

)

, ,

, ,

Ф

b

Z

f B

t T

=

λ ω

, 

откуда

следуют

основные

характеристики

фоторезистора

: 

световая

, 

спектральная

, 

частот

-

ная

, 

переходная

, 

температурная

. 

В

 — 

световой

поток

, 

λ

 — 

длина

волны

оптического

излуче

-

ния

, 

ώ

b

 — 

частота

, 

t — 

время

, 

T — 

температура

. 

На

рис

. 3.11 

показаны

две

возможные

конструкции

фоторе

-

зисторов

: 

поперечная

 (

а

), 

продольная

 (

б

). 

э 

B 

E 

а                                                                     б 

э 

a 

b 

h 

B 

U

0

э 

a 

b 

h 

U

0

Рис. 3.11 — Принципиальные конструкции фоторезисторов: 

            а — поперечная;   б — продольная;    Э — электроды