Исследование туннельного и обращенного диодов

 

Цель работы — снятие и анализ вольт-амперных характеристик туннельного и обращенного диодов; опре­деление их параметров по характеристикам (рис. 14, а, б).

Пояснения. Несмотря на тo что туннельные диоды являются двухполюсными, с их помощью можно усили­вать и генерировать электрические колебания. Способ­ность туннельных диодов выполнять функции активного элемента электрической цепи объясняется тем, что на од­ном из участков ВАХ их дифференциальное сопротив­ление отрицательное (участок пв на рис. 15). Физически это означает, что при увеличении напряжения на диоде ток через него уменьшается.

Туннельные диоды выполняются из полупроводнико­вых материалов с высокой концентрацией примесей — вырожденных полупроводников — и имеют более узкий запирающий слой, чем обычные диоды (0,1—0,2 мкм), а поэтому значительно большую напряженность элек­трического поля запирающего слоя (до 10⁶ В/см).

При отсутствии внешнего напряжения через туннель­ный диод протекают, как и через обычный диод, диффу­зионные и 'дрейфовые токи электронов и дырок. Однако эти токи не определяют работу прибора и его вольт-ам­перную характеристику при малых прямом и обратном напряжениях, В этом режиме через диод протекают также значительно большие токи, обусловленные тун­нельным эффектом, который можно пояснить с помощью энергетических диаграмм (рис. 16, а — г).

Потенциальный барьер в туннельном р-я-переходе (рис. 16, а) превышает ширину запрещенной зоны (33), поэтому валентная зона (ВЗ) р -области и зона проводи­мости (ЗП) n -области перекрываются — интервал а.

Одну часть интервала а составляют уровни энергии, заполненные электронами, другую — свободные уровни. Разумеется, между занятыми и свободными частями интервала а нет столь резкой границы, и распределение электронов по энергиям изменяется плавно, причем коли-

чество свободных уровней увеличивается при приближе­нии к потолку валентной зоны р -области и удалении от дна зоны проводимости n -области.

Между перекрывающимися частями зон возможен переход электронов по горизонтали без изменения их энергии. В этом состоит туннельный эффект. При тун­нельных переходах электроны не преодолевают потен­циальный барьер, а проникают через него — туннелируют. Очевидно, что для туннелирующего электрона в зоне, куда он переходит, должен быть свободный уровень энергии, значение которой равно его собственной энер­гии.

При отсутствии внешнего напряжения туннельные переходы электронов представляют собой одинаковые прямой _т и обратный _г туннельные токи.

При подаче обратного напряжения потенциальный барьер и интервал перекрытия зон (рис. 16, б) увеличи­ваются и создаются условия, при которых занятым энер­гетическим уровням в валентной зоне р -области проти­востоят свободные энергетические уровни в зоне прово­димости n -области. При этом более вероятными становят­ся туннельные переходы электронов обратного туннельно­го тока Обратный ток стремительно нарастает и при обратном напряжении 20—40 мВ приближается к мак­симально допустимому значению. При обратном напря­жении туннельные диоды не работают.

При подаче прямого напряжения интервал а (рис. 16, в) уменьшается и быстро растет прямой туннельный ток, так как перекрываются заполненные уровни энергии зоны проводимости n -области и свободные уровни энер­гии валентной зоны р -области. Прямой ток через переход быстро нарастает, чему соответствует первая восходящая ветвь ВАХ (участок 0n характеристики на рис. 15). Точка п_у в которой ток _г достигает максимального значения, называемая пиком характеристики, опреде­ляет ток и напряжение пика ВАХ туннельного диода.

Дальнейшее увеличение прямого напряжения сопровождается уменьшением тока так как уменьшается интервал а и, следовательно, число уровней энергии, между которыми возможен туннельный переход, чему соответствует падающий участок пв характеристики. Точка в, в которой ток становится минимальным, называемая впадиной характеристики, определяет ток и напряжение впадины ВАХ туннельного диода.

Из зонной диаграммы, соответствующей точке впади­ны в (рис. 16, г), следует, что энергетические зоны не перекрываются (а = 0), т. е. туннельный ток невозможен. Диффузионная составляющая тока при напряжении впадины невелика. Существование тока впадины объяс­няется другим механизмом туннелирования при сквозной запрещенной зоне. При этом электрон преодолевает ее по сложному пути, имеющему горизонтальные и верти­кальные участки, на которых его энергия соответственно не изменяется и изменяется.

Еще большему прямому напряжению соответствует вторая восходящая ветвь ВАХ — участок, расположен­ный на рис. 15 правее точки впадины в. При прямом напряжении, большем через диод проходит диффу­зионный ток.

Основными параметрами туннельного диода явля­ются;

–токиии напряженияи пика и впа­дины;

– напряжение раствора — прямое напряжение на второй восходящей ветви ВАХ, при котором прямой ток равен току пика

– отношение тока пика к току впадины

Обращенные диоды являются разновидностью тун­нельных и также изготовляются из вырожденных полу­проводников, но с несколько меньшей концентрацией примесей. Зонная диаграмма обращенного диода при от­сутствии внешнего напряжения показана на рис. 17, а. Обратное напряжение увеличивает потенциальный барь­ер. При этом перекрываются ВЗ р -области и ЗП n-области, появляется и увеличивается обратный туннельный ток. При прямом напряжении ток через диод сначала невелик и начальный участок ВАХ (рис. 17, б) имеет небольшой подъем, как у туннельного диода. Затем, пос­ле спада, начинается крутой подъем, т. е. нарастает диф­фузионный ток.

Обращенные диоды используют в качестве выпрями­тельных для обработки сигналов малой амплитуды (до 0,3—0,4 В), при которых прямой ток через диод мал (10 мкА), а обратный — велик (10 мА). Таким образом, при применении обращенных диодов их обратную ветвь ВАХ используют как прямую обычных диодов, а пря­мую — как обратную. Отсюда название этих приборов — обращенные диоды.