Вольтамперная характеристика обращенного диода

Интересной разновидностью туннельного диода является так называемый «обращенный» диод [13], который используется в качестве смесительного или детекторного диода (см. раздел 3.2).

Его особенность состоит в таком подборе концентрации примесей в pn‑переходе, что каждая область оказывается на грани вырождения – при нулевом смещении уровень Ферми совпадает с границами соответствующих зон. Это отражено на энергетической диаграмме диода, показанной на рис. 5.4. Там же показано, как изменяется эта диаграмма при обратном смещении. В этом режиме возникают показанные стрелкой интенсивные переходы туннелирующих электронов так же, как и в традиционном туннельном диоде (см. рис. 5.1). На ВАХ этот режим отражается ветвью I _т и точкой 2. (см. рис. 5.4,а). Видно, однако, что при прямом смещении условия для протекания туннельного тока, которые реализовались в структуре с сильно вырожденными областями, в данном случае отсутствуют. Существует только компонента диффузионного тока pn-перехода I _пр , обусловленная электронами, преодолевающими сниженный энергетический барьер. Обратные токи велики уже при ничтожно малых обратных напряжениях (десятки милливольт) и значительно превосходят прямые токи в этой области напряжений.

Таким образом, обращенные диоды обладают ярко выраженным выпрямляющим эффектом, но проводящее направление у них соответствует обратному смещению, а запирающее – прямому. Все сказанное выше о быстродействии туннельных диодов распространяется и на обращенные диоды. Это позволяет использовать такие приборы для детектирования малых сигналов на высоких и сверхвысоких частотах.

	а)
Рис. 5.4. Энергетическая диаграмма и ВАХ обращенного диода

Резкий перегиб ВАХ вблизи начала координат обеспечивает сильную нелинейность характеристики в окрестности этой точки, данный участок (ограниченный на рисунке штриховой окружностью) эффективно используется при работе диода в схемах смесителей и детекторов, не требующих применения источников начального смещения. Достоинством диода является также малое значение последовательного сопротивления R_s и низкий уровень шума.

К недостаткам можно отнести сложность технологии, требующей точного подбора уровней легирования обоих областей pn-перехода. Следует отметить также низкую устойчивость диода к перегрузкам, т. к. появление заметного прямого тока ухудшает характеристики прибора и может привести к его перегреву и выходу из строя.

6. Лавинно-пролетные диоды

Исходные положения

Идею создания лавинно-пролетного диода (ЛПД) предложил Рид в 1958 г. Впервые работающие образцы ЛПД были созданы в России. Патент на открытие получил А. С. Тагер в 1959 г. Эффект генерации СВЧ сигнала обнаружен на диодах, созданных В. М. Вальд-Перловым в лаборатории А. В. Красилова.

Принцип работы ЛПД основан на 2 физических эффектах:

1. Лавинное размножение носителей заряда в диоде при обратном смещении.

2. Насыщение дрейфовой скорости носителей заряда в сильном электрическом поле.

Эффект лавинного размножения электронов и дырок в pn-переходах значительной протяженности хорошо известен. Он используется в полупроводниковых приборах нескольких типов, наиболее распространенным из которых является Si стабилитрон. Данный эффект проявляется в резком увеличении концентрации электронов и дырок в сильном электрическом поле, превышающем пороговое значение лавинного пробоя ℇ_пр, характерное для конкретного полупроводника. В частности, для Si это значение равно 3×10⁵ В/см [6].

Эффект насыщения дрейфовой скорости связан со снижением подвижности носителей в сильном поле, когда их энергия, полученная от электрического поля, приближается к тепловой энергии, а затем к энергии оптических фононов. Зависимости, отражающие описанный эффект для классических полупроводников, представлены на рис. 6.1.

Рис. 6.1. Насыщение дрейфовой скорости электронов в сильных полях

Насыщенная дрейфовая скорость электронов в Si составляет около 10⁷ см/с, она достигается при критической напряженности поля ℇ_кр порядка 10⁴ В/см. Аналогичные зависимости проявляются и для дырок.