Туннельный диод

   изменение с  температурой статистических факторов, учитывающих плотность энергетических состояний и их заселенность в полупроводнике.

  Второй фактор  будет определяющим при малом  вырождении материала (относительно слабое легирование), когда туннельный ток обусловлен электронами с энергетических уровней, расположенных около уровня Ферми. С увеличением температуры в этом случае будет наблюдаться уменьшение тока максимума, так как изменится заселенность энергетических уровней. Поэтому туннельные диоды на основе германия n-типа обладают отрицательным температурным коэффициентом тока максимума порядка 0.2—0,3%° C, потому что концентрация примесей в рекристаллизованной области ограничена значением 6·10¹⁹ см³.

  Изменение ширины  запрещенной зоны с температурой  будет определяющим в диодах с сильным легированием, так как при глубоком вырождении ток будет определяться туннелированием электронов с уровней, энергия которых значительно меньше энергии, соответствующей уровню Ферми. С ростом температуры ток максимума должен расти (из-за повышения вероятности туннельного эффекта) при уменьшении ширины запрещенной зоны, что наблюдается и на практике у диодов на основе германия p-типа, начиная с определенной концентрации примесей в них (примерно 6·10¹⁹ см⁻³).

  Зависимость характера изменения тока максимума туннельного диода с температурой от степени легирования позволяет подобрать такую концентрацию примесей в материале, при которой в широком температурном диапазоне будет наблюдаться малое изменение тока максимума. О величине концентрации примесей можно судить по определяемому ей напряжению u₁, соответствующему току максимума диода. Так, германиевые туннельные диоды с напряжением u₁ 56 — 60 мв обладают минимальной зависимостью тока максимума в диапазоне 100° C.

  Зависимость тока минимума I₂ (избыточный туннельный ток) от температуры определяется изменением ширины запрещенной зоны, так как заселенность промежуточных энергетических уровней, переход электронов через которые определяет избыточный ток, не зависит от температуры, потому что они значительно удалены от уровня Ферми. Поэтому с ростом температуры ток минимума увеличивается главным образом из-за уменьшения ширины запрещенной зоны.

  Отношение тока максимума к току минимума I₁/I₂ обычно уменьшается с ростом температуры, причем (для диодов на основе германия n-типа) тем сильнее, чем больше это отношение.

Температурные зависимости  напряжения u₁, соответствующего максимуму туннельного тока, напряжения u₀, соответствующего минимальному значению отрицательного сопротивления, и напряжения u_1xR, соответствующего минимальному дробовому шуму p-n-перехода, определяются в основном степенью легирования n-области и ослабевают с ростом концентрации примесей в ней. Обычно эти напряжения меняются мало и при увеличении температуры незначительно уменьшаются. Напряжение u₂, соответствующее минимуму туннельного тока, с повышением температуры также уменьшается (из-за возрастания диффузионной составляющей тока). Температурный коэффициент напряжения из близок к температурному коэффициенту напряжения обычных германиевых диодов, включенных в прямом направлении.

  Что касается туннельных диодов на основе кремния и интерметаллических соединений, то отсутствие достаточного количества опубликованных данных по исследованию температурных зависимостей параметров не дает возможности в настоящий момент сделать обобщающие выводы и установить закономерности. Однако качественные предположения об этих зависимостях могут быть сделаны на основе зонной структуры этих полупроводников. Так, зависимость тока максимума от температуры туннельных диодов из интерметаллических соединений будет по характеру подобна этой зависимости у германиевых диодов, так как в этих соединениях предполагаются прямые туннельные переходы (без взаимодействия электрона с решеткой). В кремнии, где туннельные переходы не прямые (с определенным взаимодействием электрона с решеткой), при увеличении температуры будет наблюдаться рост тока максимума. Можно с уверенностью сказать, что экспериментальные данные по этим материалам, которые, вероятно, будут опубликованы в ближайшее время, позволят установить характер температурных зависимостей основных параметров туннельных диодов из этих полупроводников.

Зависимость параметров туннельного диода от свойств  полупроводникового материала. Сравнительная  оценка диодов из разных материалов.

  Чтобы полностью  понять физику работы туннельного  диода и выяснить возможность  изготовления приборов с заданными  параметрами, определяемыми областью применения диода, необходимо найти зависимость основных параметров от степени легирования полупроводникового материала и от типа материала. Знание таких зависимостей позволит осмысленно подойти к выбору типа материала, на основе которого будет изготовлен туннельный диод, и необходимой степени легирования, обеспечивающей получение требуемых свойств готового прибора.

  Теоретическое изучение  степени легирования p- и n-областей туннельного диода показало его сильное влияние на вольтамперную характеристику туннельного диода. Это влияние может быть показано на примере германиевых туннельных диодов, приняв во внимание, что концентрация примесей в p-области диода превосходит концентрацию примесей в n-области.

  При увеличении концентрации доноров в n-области изменение вольтамперной характеристики туннельного диода лучше всего проследить на анализе зонной диаграммы, используя рис. 6, где представлен случай одинакового легирования p- и n-областей диода. Легко заметить, что ток максимума характеристики диода будет увеличиваться при почти неизменном напряжении u₁, соответствующем этому току, так как ток в прямом направлении определяется туннельным переходом электронов проводимости n-области, число которых возрастает при увеличении концентрации доноров. Соответствующие этому случаю вольтамперные характеристики туннельного диода представлены на рис. 10, а.

  Несколько иная картина получается при увеличении степени легирования p-области. При этом будет возрастать не только ток максимума, но и напряжение u₁ (рис. 10,6), что потребуется для компенсации возросшего обратного потока носителей, определяемого туннельным переходом валентных электронов дырочной области. Экспериментальные данные, совпадающие с теорией, свидетельствуют о том. что главное влияние на характер зависимости тока максимума от степени легирования материала оказывает изменение вероятности туннелирования электронов сквозь барьер. Эта вероятность зависит от толщины барьера (p-n-перехода) и, следовательно, от приведенной концентрации основных носителей пp/(п+p). С возрастанием концентрации доноров или акцепторов ширина перехода уменьшается, что повышает вероятность туннелирования и приводит к росту тока через переход. Интересно отметить, что туннельные диоды на основе германия p-типа могут быть изготовлены со значительно большим отношением

 I₁/С чем у диодов на основе германия n-типа, так как у первых возможна большая концентрация акцепторов в рекристаллизованной области.                                    

  Из сказанного выше видно, что величина напряжения u₁ почти не зависит от концентрации примесей в n-области и растет с увеличением концентрации примесей в p-области. Напряжение u₂, соответствующее минимуму тока, увеличивается с ростом степени легирования как p-, так и n-области.

  Что касается температурной зависимости туннельного тока, то, как мы видели в параграфе, она определяется степенью вырождения p- и n-областей туннельного диода.

  Величина отрицательного сопротивления в зависимости от концентрации доноров и акцепторов различается как по абсолютной величине, так и по характеру своего изменения от напряжения. Минимальная величина отрицательного сопротивления при данной площади перехода определяется максимальной растворимостью примесей в полупроводнике, т. е. максимальным значением приведенной концентрации    пр/{п+р). Так как емкость p-n-перехода также определяется значением приведенной концентрации (для данной площади), то постоянная времени R С не зависит от площади перехода, а будет почти экспоненциально расти с концентрацией примесей.

Интересно отметить, что  отношение I₁/С также не зависит от площади перехода и определяется значением приведенной концентрации, по величине которой для различных материалов можно судить о их пригодности для изготовления туннельных диодов. Выше уже было показано, что диоды на основе германия p-типа обладают лучшим отношением I₁/C, чем диоды из германия n-типа. У туннельных диодов из арсенида галлия это отношение наибольшее и может составлять 10−15 ма/пф (табл. 1).

  Таким образом, степень легирования материала прямо или косвенно определяет все основные параметры туннельного диода, поэтому невозможно одновременно получить оптимальными с точки зрения разнообразных радиотехнических примесей все параметры прибора. Эта трудность может быть устранена индивидуальным выбором материала и степени его легирования, обеспечивающей получение требуемых параметров для каждой специфической области применения диодов.

Таблица 1

Основные параметры  полупроводниковых материалов и  туннельных диодов, изготовленных из них

Полупроводник	m*/m0	E0, эв	I1/I2	U1, мв	u3 , мв	t*макс, °С	R− С, сек	I1/C, ма/пф
Ge Si GaAs InSb GaSb	0.l5 0.27 0.06 0.04 0.20	0.65 1.10 1.35 0.18 0.70	10 − 15      3 − 4    40−70     7 − 10   15 − 20	40−70   80−100   90−120       —    30−50	450       700 1000   200   450	250 400 600  25 300	0.5·10−9 0.2·10−8 0.1·10−9 0.5·10−11 0.1·l0−19	0.3 − 1 <0.5 10-15     —     —

* Температура, при которой исчезает участок отрицательного сопротивления.

 

  Свойства туннельного диода зависят не только от степени концентрации примесей, но и от типа самого материала. Вероятность туннельного эффекта возрастет с уменьшением ширины запрещенной зоны  E_g и эффективной массы m^*. Поэтому для туннельных диодов желателен материал с малыми значениями E_g и m^*. Но, с другой стороны, температурный диапазон работы туннельного диода пропорционален ширине запрещенной зоны исходного материала. Следовательно, нужен материал с широкой запрещенной зоной. Разрешить эти два противоречивых требования можно компромиссным путем: выбрать материал с малой величиной m и большой шириной запрещенной зоны. Сравнительные данные по величинам E_g и m* для применяемых при изготовлении туннельных диодов материалов приведены в табл.1.

  Из сопоставления  значений E_g и m* видно, что лучшим материалом для изготовления туннельных диодов служит арсенид галлия. Это же подтверждают и лучшие параметры, которыми обладают туннельные диоды, полученные на основе этого материала.

  Следует отметить, что наилучшими высококачественными свойствами обладают туннельные диоды, изготовленные из антимонида индия. Но из-за малой ширины запрещенной зоны они не обладают туннельными свойствами даже при комнатной температуре и требуют для своей нормальной работы низких температур (температуры жидкого азота).

  Наилучшими материалами  для изготовления туннельных  диодов, обладающих низкими собственными  шумами, являются сурьмянистый галлий GaSb, антимонид индия InSb, apceнид индия InAs. Так как малая ширина запрещенной зоны InSb и InAs для нормальной работы туннельных диодов на их основе требует низких температур, то наиболее подходящим из них будет сурьмянистый галлий.

  Вообще «универсального»  материала, изготовленные из которого туннельные диоды обладали бы всеми оптимальными параметрами, не существует. Разделение областей применения туннельных диодов требует и дифференцирования в выборе материалов. В каждом случае примененный материал будет определять потенциальные возможности туннельного диода для соответствующей конкретной сферы использования прибора.

  Поэтому интенсивное  изучение новых полупроводниковых материалов приведет к дальнейшему улучшению параметров туннельных диодов, изготавливаемых из них.

 

Использованная литература.

 

1. “Туннельные диоды и их применение”, Р.В. Гострем, Г.С. Зиновьев, Новосибирск 1964
2. “Полупроводниковые диоды. Параметры, методы измерений”, под ред. Н.Н. Горюнова, Ю.Р. Носова, изд. «Совестское радио», 1968
3. “Радиотехнические схемы на транзисторах и туннельных диодах”, под ред. Р.А. Валитова, М., «Связь», 1972
4. “Импульсные преобразователи и стабилизаторы постоянного напряжения”, Ф.И. Александров и А.Р. Сиваков, изд. «Энергия» Ленинградское отделение, 1970
5. “Физика полупроводниковых приборов”, Г.А. Розман, Псков 1994.
6. “Полупроводниковые приборы” − http://www.st.karelia.ru/edu/diod/stabil.htm