Полупроводниковые приборы

1. ИСТОКИ ЭЛЕКТРОНИКИ

Любую науку можно представить в виде дерева с корнями (истоками), со старыми ветвями и молодыми побегами. Физика является одним из центральных корней дерева электроники, так как изучает движение электронов под действием постоянных и переменных полей. Эти поля могут быть рассчитаны электродинамическими методами при известных напряжениях на электродах прибора, включенного в схему установки. Для расчета схем применяют теорию электрических цепей. При расчете траектории электронов в приборе используются сведения из теоретической механики, высшей математики и вычислительной техники. При выборе материалов для изготавливаемого прибора и способа их обработки необходимо знание химии и технологии материалов.

Нижними ветвями дерева, исторически явившимися первыми, являются вакуумная и ионная электроники. Следующими ветвями являются: схемная электроника, полупроводниковая электроника, электроника СВЧ, микроэлектроника, квантовая электроника, оптоэлектроника, криоэлектроника, космическая электроника. Выделение таких ветвей является весьма условным. В реальности большинство ветвей пересекаются между собой (например, имеются вакуумные и полупроводниковые приборы СВЧ или в квантовом приборе используется газовый разряд).

Одной из основных причин, способствовавших зарождению и развитию электроники, микроволновой в частности, явилась необходимость в совершенствовании средств связи между отдельными людьми и далеко расположенными селениями.

Как наука, полупроводниковая электроника сформировалась в начале ХХ века после создания основ электродинамики, открытия и исследования фотопроводимости (У. Смит, 1873), односторонней проводимости контакта металл-полупроводник (К. Ф. Браун, 1874), фотоэлектронной эмиссии (Г. Герц, 1887; А.Г. Столетов, 1905), рентгеновских лучей (В.К. Рентген, 1895), открытия электрона (Дж.Дж. Томсон, 1897), создания электронной теории (X.А. Лоренц, 1892 - 1909).

Появлению электронных приборов предшествовал сложный период возникновения и установления понятия об электроне как об элементарной частице. Электрон - первая частица микромира, физические свойства которой были установлены человеком. К представлению о существовании в природе элементарного электрического заряда ученых конца XIX века приводил целый ряд явлений, связанных с электричеством. Это и электризация не проводящих ток тел при трении, и явление электролиза, когда прохождение тока через растворы могло быть объяснено только тем, что молекулы растворённых в жидкости веществ состоят из электрически заряженных частиц, и открытое Эдисоном в 1881 году явление термоэлектронной эмиссии, названное эффектом Эдисона.

Этот эффект фактически был первой демонстрацией работы вакуумного диода. Элементарный электрический заряд получил в 1891 году название электрона, и его поведение в различных условиях стали внимательно изучать учёные разных стран.

В вакуумных микроволновых электронных приборах в результате эмиссии происходит движение электронов. Изучение этого явления началось с момента появления первых электронных ламп. Теоретически задачу прохождения тока в плоском диоде впервые поставили и приближенно решили российский физик В.Р. Бурсиан (1921) и немец Ленгмюр (1923). При наличии постоянного и переменного полей задача значительно усложняется. Впервые решением этой задачи занялись американские физики В.Е. Бенем (1928) и Ф.В. Левемен (1933); в нашей стране Г.А. Гринберг (1936), С.Д. Гвоздовер (1943) эту задачу при разных конфигурациях электронов и при снятии ряда упрощающих предположений продолжают решать и сейчас. Экспериментальные исследования в этом направлении проводились, в основном, с целью повышения рабочей частоты и мощности генерируемых и усиливаемых колебаний, а также совершенствования конструкций реальных приборов.

В 1944 году австрийский архитектор Р. Компфнер предложил для усиления СВЧ-колебаний использовать взаимодействие электронного потока с бегущей вдоль этого потока электромагнитной волной, замедленной до скорости движения электронного потока специальной замедляющей системой. Американский физик Джон Пирс создал теорию работы этого прибора, названного лампой с бегущей волной (ЛБВ).

В 1945 году французские физики под руководством Бриллуэна создали близкий к ЛБВ по принципу действия генератор СВЧ с широкой полосой электронной настройки частот, названный лампой обратной волны (ЛОВ).

Первое прикладное применение электронных приборов в технике связи во многом определило тенденции их развития. Известно, что сигналы, переносящие информацию и представленные в электрической форме, характеризуются определенными параметрами, которым должны соответствовать разрабатываемые приборы.

До 1948 года электроника в основном была вакуумной, сейчас полупроводниковые приборы и микросхемы вытесняют, где это возможно, вакуумные приборы.

Начнём рассмотрение нашего курса с полупроводниковой микроволновой электроники, основа которой - физика твердого тела и твердотельная электроника (изучая которую, вы знакомитесь с теорией и принципами работы существующих полупроводниковых приборов радиодиапазона).

2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

До 1948 года - года изобретения биполярного транзистора - существовал лишь один полупроводниковый прибор - кристаллический детектор, который использовался в высокочастотной аппаратуре. Название этого прибора - кристадин; это первый полупроводниковый диод.

Наибольшие практические результаты дали работы по изучению электронно-дырочного перехода, который сегодня является основой для большинства полупроводниковых и микроэлектронных приборов. Поэтому рассмотрение приборов микроволновой полупроводниковой электроники начнем с изучения основных свойств, характеристик и параметров простейших из них - диодов.

Напомним, что полупроводниковые диоды чаще всего обладают структурой, содержащей p - n-переход или контакт “металл - полупроводник” и невыпрямляющие контакты. По способу получения и конфигурации переходов различают точечно-контактные (сплавные и сварные) и плоскостные (планарные и мезопланарные) диоды.

По исходному материалу различают: германиевые диоды [обозначаются буквой Г (рабочий диапазон температур от -60 до +60 ^OС) либо цифрой 1 (рабочий диапазон температур от -60 до +75 ^OС)]; кремневые диоды [обозначаются буквой К (рабочий диапазон температур от -60 до + 85 ^OС) либо цифрой 2 (рабочий диапазон температур от -60 до+125 ^OС)]; арсенид-галлиевые диоды [обозначаются буквой А (рабочий диапазон температур от -60 до +200 ^OС) либо цифрой 3 (рабочий диапазон температур от -60 до +800 ^OС)]; антимонид-галлиевые, индиевые и др. диоды. Но для микроволнового диапазона частот применимы лишь материалы с высокой подвижностью электронов, поэтому чаще всего встречаются диоды на основе Si, GaAs, InP, GaP, GaN.

2.1 Микроволновые диоды (диоды СВЧ)

По принципу действия все микроволновые диоды можно разделить на две группы: точечные и плоскостные.

Точечные диоды - исторически первые СВЧ-диоды; они используются для детектирования и преобразования частоты.

Плоскостные диоды (чаще диоды с барьером Шоттки - ДБШ) - диоды со структурой “металл-полупроводник”, в которой слой металла нанесен методом напыления. Они высокотехнологичны, с хорошей повторяемостью параметров и с ВАХ, близкой к идеальной.

Условно все диоды по принципу функционирования можно представить схемой, приведенной на рис.2.1.

В современной аппаратуре СВЧ-диоды выполняют самые различные функции (реализованы и пленочные варианты для ГИС):

смешение (преобразование) частот (А101-199);

детектирование (А201-299);

модулирование (А301-399);

усиление сигналов (параметрические А401-499);

переключение высокочастотных трактов и управление (А501-599);

умножение и деление частоты (А601-699);

генерирование колебаний (А701-799) и т.д.

Рис.2.1

Первым элементом маркировки диода является обозначение полупроводникового материала, используемого для его изготовления. Второй элемент - буква русского алфавита: А - СВЧ-диоды, В - варикапы, И - туннельные диоды (ТД) и обращенные диоды (ОД), Б - приборы с использованием объёмных эффектов и т.п. Третий элемент - основное назначение: 1 - смесительные, 2 - детекторные и т.д. Четвертый элемент - номер разработки.

Понятно, что такое многообразие функций обеспечивается и соответствующей номенклатурой, хотя классификация диодов по области их применения на СВЧ не всегда оправданна. Один и тот же диод может использоваться в различных устройствах, например в аттенюаторах или фазовращателях, умножителях, делителях, преобразователях и парамет-рических усилителях, а такой диод, как туннельный, способен еще и генерировать СВЧ-колебания.

Логичнее иногда различать СВЧ-диоды по принципу их действия, типу диодной структуры, конструктивному оформлению и т.д.

2.2 Смесительные и детекторные диоды СВЧ

Нелинейное сопротивление в таких диодах создается преимущественно с помощью контакта “металл-полупроводник” (диоды с барьером Шоттки - ДБШ) в виде мезапланарной структуры либо точечно-контактных р - n-переходов. Используются также туннельные и обращенные диоды, содержащие р - n-переходы вырожденных полупроводников.

Смесительные диоды. Они применяются главным образом в узкополосных приёмниках супергетеродинного типа (супергетеродинный принцип приёма повышает чувствительность приемников на 30 - 40 дБ) для преобразования частоты (выделения промежуточной), которая обычно составляет десятки мегагерц и получается как разность частот гетеродина (местного генератора) и сигнала f_пч = (f_г - f_с).

Преобразование частоты обусловлено нелинейностью ВАХ, которая для диодов с барьером Шоттки (применяются еще в качестве детекторов, смесителей, умножителей частоты, вытесняя точечные) и контактов “металл-полупроводник” имеет вид

где n - коэффициент неидеальности р - n-перехода (для ДБШ параметр n составляет величину от 1,03 до 1,05, для точечно-контактных диодов - от 1,15 до 2,0).

Эквивалентная схема СВЧ-диода приведена на рис. 2.2 и содержит как параметры корпуса диода и объёма полупроводника с контактными выводами, так и нелинейные составляющие - собственно полезные параметры, реализующие эффект преобразования.

Поскольку смесительные диоды работают при значительной мощ-ности гетеродина, то их эквивалентные схемы удобно представить в виде двух схем для прямого (а) и обратного (б) полупериодов (рис. 2.3).

Тогда предельная частота, определяемая как частота, на которой отношение обратного и прямого сопротивлений уменьшается до 2^0,5, равна

_пр = r_g;         Z_обр = [r²_g + (w²C_п²)^-1]^0,5,

Z_обр /Z_пр = [r²_g + (w²C_п²)^-1]^0,5/r_g =(2)^0,5,

Откуда

_пред = 1/2pr_g C_п.

Паразитные параметры схемы диода L, С_к компенсируют введением органов настройки диодных камер. В этом случае эффективность работы диода в зависимости от частоты сигнала можно оценить с учётом ёмкости С и сопротивлений r_б и r_п.

Рис. 2.2                         Рис. 2.3

Полное сопротивление диода записывается в виде

,

где - круговая частота.

Мощность сигнала, рассеиваемая на сопротивлении диода с учетом принятых на рис. 2.2 обозначений:

,

где Re(1/Z) - активная составляющая проводимости диода на частоте сигнала, равная

.

Напряжение U_бв, подводимое непосредственно к нелинейной проводимости контакта, составляет некоторую величину от общего напряжения U_аб, а именно

.

Отношение U²_бв/U²_аб можно назвать коэффициентом использования мощности подводимого сигнала h², который будет максимален при минимальной частоте сигнала либо пренебрежимо малой ёмкости:

.

С целью повышения коэффициента использования подводимого сигнала разрабатывают диоды, корпусы которых совместно с унифицированными диодными камерами составляют согласующие трансформаторы. При этом различают следующие конструктивные оформления диодов (рис. 2.4): а - патронный; б - коаксиальный; в - волноводный; г - типа таблетки; д - полосковый типа «кроватка»; е - бескорпусный и др.

а)                         б)               г)                       е)

Рис. 2.4

Следует отметить, что в ДБШ величина нелинейной барьерной ёмкости практически равна нулю, так как в них отсутствует инжекция неосновных носителей, а нелинейность ВАХ сохраняется до частот сантиметрового и миллиметрового диапазонов.

Детекторные диоды. Принцип работы и основные требования к их параметрам такие же, как и у смесительных диодов.

Детекторы применяются в широкополосных приёмниках прямого усиления для детектирования СВЧ-сигналов (выделение огибающей сигнала), а также в измерительной технике в качестве индикаторов СВЧ-колебаний. Работают из-за малого уровня сигнала в режиме квадратичного детектирования. Для доказательства последнего утверждения достаточно положить, что на входе детектора действует сигнал вида , и, подставляя его в выражение для ВАХ после разложения полученного соотношения в ряд, имеем

где b = q/(nkT), I₁ = I₀ + I_s.

Из полученного уравнения следует, что активное сопротивление перехода имеет вид r_n = 1/(bI₁) = nkT/[q(I₀ + I₁)], а выпрямленный ток, обусловленный входной мощностью, пропорционален квадрату СВЧ-напряжения U_m на переходе:

,

где  - СВЧ-мощность, поглощённая в переходе.

Детекторный диод работает при малых уровнях СВЧ-сигнала, и элементами эквивалентной схемы (см. рис. 2.2) пренебречь нельзя. Предельной считают частоту, при которой на сопротивлении растекания (сопротивление базы) рассеивается 0,5 падающей на диоде мощности:

Z_вх = r_g + (1/r_п + jwC_п)^-1 = r_g + r_п/(1 + jwC_пr_п) =

= r_g + r_п/(1+ w²C_п²r²_п) - jwC_пr_п²/(1 + w²C_п²r_п²),

откуда f_пред = (2pr_пC_п )^-1(R_п/r_g - 1)^0,5. Так как в детекторах должно выполняться условие r_п >> r_g, то

_пред » [2pC_п (r_п r_g)^0,5]^-1.

Конструктивно детекторные диоды оформляются аналогично смесительным, а их параметрами являются:

- коэффициент стоячей волны КСВ, измеряемый с помощью измерительной линии при мощности не более 10 мкВт, чтобы соблюдался режим малого сигнала; s =½U_макс/U_мин½;

- шумовое отношение t = Р_{ш. ном}/Р_вых, определяемое как отношение номинальной (отдаваемой в согласованную нагрузку) мощности шума

Р_{ш. ном} в интервале частот  на выходе диода в рабочем режиме к номинальной мощности Р_вых теплового шума активного сопротивления, находящегося при комнатной температуре Т₀ (Т₀ = 290 К), т.е. t = Р_{ш. ном}/kТ₀. В определение шумового отношения не входит сопротивление диода, но его необходимо знать для оценки Р_{ш. ном}.

Данное определение величины t (общее по форме) имеет различное содержание для детекторных и смесительных диодов. В то время как уровень шума детекторного диода определяется величиной постоянного смещения (статический режим), уровень шума смесительных диодов представляет собой усредненное значение величины t за период колебаний гетеродина (динамический режим). Интервал частот , входящих в формулу, соответствует полосе пропускания приёмного устройства. Для детекторного диода шумовое отношение обычно определяется для полосы частот 50 кГц - 1,5 МГц (что соответствует спектру видеоимпульса), в то время как для смесительных диодов шумовое отношение относят к промежуточной частоте f_пч = 10 - 50 МГц при  менее 10 МГц.

Остальные параметры детекторных диодов:

- чувствительность по току i₀ к подводимой мощности b_СВЧ = =i₀/Р_СВЧ, причём сопротивление цепи выпрямленного тока не должно превышать 3 - 5 % от наименьшего номинального значения сопротивления диода в рабочей точке (для обеспечения режима короткого замыкания);

- сопротивление в рабочей точке R_вых, измеряемое без подачи СВЧ-мощности (на диод подают около 5 мВ от звукового генератора через сопротивление, много большее сопротивления диода, а измеряемое падение напряжения на нем пропорционально его сопротивлению в рабочей точке) высокоомным вольтметром, проградуированным в единицах R_вых;

- добротность М, определяемая по формуле

,

где R_A - шумовое сопротивление реального усилителя (в пределах 1,0 - 1,2 кОм для биполярных транзисторов схем и более 1 МОм для ПТ).

Специфические параметры смесительных диодов:

- выходное сопротивление, определяемое как и для детекторных диодов, но с подведением СВЧ-мощности гетеродина соответствующей рабочей точке;

- выпрямленный ток (необходим для оценки уровня СВЧ-мощности гетеродина), определяемый как возникающий при этом ток в цепи смещения при сопротивлении 50 - 100 Ом;

- потери преобразования L, вычисляемые по формулам

L = 10 lgm²P_вхR_н/U², дБ или L = 10 lg(P_вх/P_пч), дБ,

где Р_вх - средняя мощность СВЧ-колебаний; R_н - сопротивление нагрузки в цепи ПЧ, равное среднему R_вых диода данного типа; U - действующее напряжение ПЧ (либо напряжение частоты модуляции при измерении модуляционным способом); m - глубина модуляции;

- нормированный коэффициент шума F, определяемый по формуле

F = kT₀ t/(kTL^-1_CВЧ) = t L_СВЧ.

Все перечисленные параметры диодов этого типа существенно зависят как от выбора рабочей точки, температуры p - n-перехода, так и от уровня входного сигнала.

2.3 Переключающие и ограничительные диоды

Это диоды с р - n-переходом либо с р - i - n-структурой. Работа переключающего диода с р - n-переходом основана на эффекте изменения импеданса (полного сопротивления) р - n-перехода в зависимости от напряжения смещения. В таких диодах при прямом смещении сопротивление р - n-перехода быстро убывает с ростом тока смещения и при токе более 10 - 50 мА становится малым по сравнению с сопротивлением базы, т.е. эквивалентная схема диода (рис. 2.5,а) принимает вид, показанный на рис. 2.5,б.

а)                         б)                в)

Рис. 2.5

При обратном смещении схема имеет вид, показанный на рис.2.5,в. Так как величина сопротивления r_p-n >> 1/wC_п, им можно пренебречь.

Если диод включен так, как показано на рис.2.6,а, то имеем проходной переключатель параллельного типа, а на рис.2.6,б - переключатель последовательного типа.

а)                                            б)

Рис. 2.6

Для определения мощности на нагрузке представим эти переключатели в виде соответствующих схем на рис.2.7,а и б.

а)                                            б)

Рис. 2.7

С учётом этих схем для параллельного переключателя получим мощность на нагрузке в виде

а мощность на выходе при отсутствии нагрузки определяется по формуле Р_Н0 = Е/8Z₀.

Отношение величины Р_Н0 к Р_Н определяет потери преобразования:

.

Проводя аналогичные вычисления для потерь преобразования в последовательной схеме, получим:

   .

Таким образом, если Z_Д ® 0, то L ® ¥. При этом для параллельной схемы Z_Д = 0 - закрытое состояние, а Z_Д = ¥ - открытое.

Следовательно, такие схемы имеют два состояния - пропускания и запирания и могут характеризоваться потерями передачи П, определяемыми отношением падающей мощности к прошедшей. Величина потерь передачи определяется импедансом диода Z и может быть представлена в виде

П = .

Величина П должна быть по возможности большей в состоянии запирания [потери запирания П_з для диода с р - n-переходом определяются как П_з = (1 - Z₀/2r_б-)²]и малой в состоянии пропускания [потери П_п определяются как П_п = (1+ Z₀/2R_Э)², где R_Э = 1/w²C²r_б+)].

Качество переключающего диода оценивается отношением потерь пропускания и запирания

.

Как и для импульсных диодов, качество переключающего диода оценивается временем переключения (временем перехода диода из одного состояния в другое при мгновенном изменении управляющего напряжения).

В устройствах СВЧ переключающие диоды применяются для управления СВЧ-мощностью, переключения каналов, фазовой манипуляции (фазовращатели), защиты входных устройств от выгорания. Следует различать управляемые (питающим напряжением) и самоуправляемые (за счет падающей мощности) устройства.

В переключающих СВЧ-диодах используются в основном р - i-n-структуры. При прямом смещении за счет инжекции электронов из n-области и дырок из р-области сопротивление i-слоя уменьшается и полупроводниковая структура в результате представляет собой малое активное сопротивление, значение которого определяется постоянным током через диод (рис. 2.8). Частота СВЧ-сигнала оказывается настолько большой, что за половину периода колебаний электроны и дырки не успевают сместиться на расстояние, соизмеримое с толщиной i-слоя (доли миллиметра).

Накопленный в базе заряд реагирует в основном на низкочастотный управляющий сигнал. При обратном смещении р - i - n-диод эквивалентен емкости с малыми потерями, а в прямом - это регулируемое током активное R, которое может изменяться от нескольких десятков килоом до нескольких ом.

Зависимости параметров от режима приведены на рис. 2.9.

Как правило, диод работает при I_пр = 100 - 200 мА и r_пр< 2,0 Ом; при этом его сопротивление остается низким даже при высоких уровнях СВЧ-мощности вследствие того, что в i-слое накапливается большой заряд.

Быстродействие диода определяется временем восстановления, которое зависит от накопленного заряда, т.е. от толщины i-слоя, времени жизни носителей и соотношения прямого и обратного токов (для уменьшения t_в используют режим с большим вытягивающим обратным полем).

Выпускают р - i - n-диоды на различную рассеиваемую мощность и быстродействие. Их ёмкость составляет от 0,1 до 3 пФ, тепловое сопротивление - до единиц ^ОС/Вт, мощность - от единиц милливатт до нескольких сотен ватт непрерывной и несколько десятков киловатт импульсной мощностей, t_в = 1 ¸ 10 мкс.

Рис.2.8                                             Рис.2.9

Диоды с барьером Шоттки и с р - n-переходом имеют еще большее быстродействие, но работают лишь при низких уровнях мощности, поскольку обладают выпрямительными свойствами. При больших падающих мощностях такие диоды переходят в режим малого сопротивления.

Предельная коммутируемая мощность зависит от параметров диода (предельной рассеиваемой мощности), способа включения в линию передачи (с целью расширения полосы рабочих частот снижают индуктивность диода и согласуют его с предающим трактом).

Характерная зависимость прошедшей мощности Р_прош и потерь передачи П от величины падающей мощности Р_пад при использовании ограничительного диода имеет вид, представленный на рис.2.10, где Z₁ = =U_m/I₁ - импеданс на основной частоте.

При малой мощности передачи, когда êZ₁ê >> Z₀, потери передачи близки к единице (участок I). Затем с ростом Р_пад величина êZ₁ê резко уменьшается и потери растут (участок II). С ростом мощности, когда выполняется неравенство êZ₁ê << r_в, импеданс диода становится равным сопротивлению r_в = r_б + r_конт, которое состоит из остаточного сопротивления базы и сопротивления омических контактов. При этом величина П остается практически постоянной (участок III).

Конструктивные оформления диодов аналогичны приведённым на рис. 2.4.

напряжение пробоя U_проб;

тепловое сопротивление;

рассеиваемая мощность;

время восстановления;

полная ёмкость диода, определяющая полосу рабочих частот ;

емкость корпуса С_к;

сопротивления r⁺ и r^- (или R₀ и r_б).

Рис. 2.10

Переключательные диоды применяются и для построения фазовращателей. В этом случае диоды работают в двух режимах - пропускания и запирания, а изменение фазы происходит за счет изменения длины линии, которую проходит волна.

Выключатель с СВЧ-диодом, на который подается модулирующее напряжение прямоугольной формы, можно использовать для формирования из непрерывного СВЧ-сигнала импульсно-модулированного сигнала.

Плавное изменение смещения на диоде изменяет его сопротивление, а значит, обеспечивает регулировку мощности, проходящей через участок линии с диодом. Такими функциями обладает еще одно устройство - СВЧ-аттенюатор, который реализуется также на указанных выше диодах.

2.4 Генераторные СВЧ-диоды

Туннельные и обращённые диоды

Действие туннельных и обращенных диодов (ТД и ОД) основано на туннельном эффекте. Эффект туннелирования открыт японцем Эсаки в 1956 году, а в 1957 году был изготовлен первый туннельный диод.

Для таких приборов необходимо создание чрезвычайно узких р - n-переходов, имеющих по обе стороны р - n-перехода изоэнергетические уровни, между которыми возможны туннельные переходы. Переходы реализуются в полупроводниковых материалах с высоким содержанием примеси (10²⁴ - 10²⁶ м^-3), т.е. с весьма низким удельным сопротивлением. При этом ширина перехода (около 10^-2 мкм) на два порядка меньше, чем в обычных плоскостных диодах. Подобные материалы называют вырожденными полупроводниками. Уровень Ферми у них находится в разрешённых зонах, в полупроводнике n-типа - в зоне проводимости, в полупроводнике р-типа - в валентной зоне (за счет того, что при таких концентрациях примеси происходит расщепление примесных уровней, и эти зоны вплотную прилегают к соответствующим разрешённым зонам).

Ход ВАХ диодов (рис. 2.11, 2.12) можно пояснить, используя энергетические диаграммы перехода при различных уровнях смещения (рис. 2.13).

В случае отсутствия смещения свободные носители проходят через переход вследствие квантово-механического туннельного эффекта (точ-ка б на ВАХ, рис. 2.11), при этом электрон, входя в р - n-переход из n-области, замедляет свою скорость под действием внутреннего диффузионного поля. Отразившись от потенциального барьера перехода, электрон возвращается в n-область. Однако имеется вероятность попадания электрона и на свободный уровень с такой же энергией в акцепторной, примесной р-области. В этом и заключается туннельный эффект.

Рис. 2.11                       Рис. 2.12

При d = 10^-2 мкм туннельный ток может достигать величины 10⁷ А/м², несмотря на малую вероятность туннельного перехода отдельного электрона. Аналогично отдельные носители заряда р-области путем туннелирования могут попасть в зону проводимости n-области на свободные энергетические уровни и т.д. Устанавливается динамическое равновесие.

Уровни Ферми при U = 0 в р- и n-областях расположены горизонтально, нет перекрытия свободных и занятых уровней, ток через переход отсутствует (рис. 2.13,а).

При обратном смещении (рис. 2.13,б) уровень Ферми в р-области смещается вверх относительно уровня Ферми в n-области на величину внешнего смещения (U = (F_р - F_п)/q), при этом против заполненных состояний в р-области появляются свободные состояния в n-области, что приводит к появлению тока во внешней цепи (участок а, рис. 2.11).

а)                         б)                       в)                        г)

Рис. 2.13

С увеличением обратного смещения перекрытие зон увеличивается, ток растет. Резкому нарастанию тока (участок а, рис. 2.11) способствует увеличение вероятности туннелирования, вызванное возрастанием поля в переходе (сокращением длины р - n-перехода).

При положительном смещении число перекрывающихся состояний сначала растет (участок в, рис. 2.11) до тех пор, пока интервал заполненных состояний в n-области и свободных состояний в р-области максимально не перекроется (U = (j_n + j_p)/3q, где j_n и j_p - расстояния уровней Ферми от краев соответствующих зон), при этом ток достигает максимума (точка г, рис. 2.11), а затем убывает.

При напряжении U = (j_n + j_p)/q перекрытие зон заканчивается и туннельный ток обращается в нуль (участок д, рис. 2.11) .

С ростом прямого смещения происходит дальнейшее снижение потенциального барьера в р - n-переходе. Создаются условия для инжекции неосновных носителей - появляется диффузионный ток (участок е, рис. 2.11), как в обычном диоде.

Туннельные диоды изготавливают на основе германия, арсенида галлия, антимонида индия. Диоды на основе арсенида галлия имеют преимущества перед остальными, так как выдерживают несколько больший интервал прикладываемых напряжений, имеют высокую «колебательную мощность», высокие рабочие частоты и большие амплитуды (у диодов на основе антимонида индия велик ток термогенерации при комнатной температуре). Вид ВАХ туннельных диодов на основе различных материалов приведен на рис. 2.12 (чем больше ширина запрещённой зоны материала, тем больше напряжение, при котором наблюдается максимальный ток I_м).

Для получения узких переходов применяются методы вплавления примесей (акцепторная примесь для арсенида галлия - цинк и кадмий, донорная - олово, свинец, сера, теллур и др.). Диффузионное проникновение примесей на глубину до 10 ангстрем при общей ширине перехода 100 - 150 ангстрем считается приемлемым.

Наличие падающего участка на ВАХ позволяет использовать такие диоды в качестве генераторов, усилителей, переключателей, а нелинейность характеристики, - в качестве умножителей, смесителей и т.п.

В этой связи важным является вопрос о частотных свойствах ТД. Так как инерционность за счет конечного времени пролета электроном перехода составляет около 10^-13 с, то основные ограничения накладываются на конструктивные параметры: ёмкость перехода и корпуса, сопротивление базы (растекания), индуктивность выводов. В настоящее время диоды работают на частотах порядка 30 - 50 ГГц в рабочем интервале температур от 0 К до нескольких сот градусов Цельсия и являются радиационностойкими.

Эквивалентная схема туннельных диодов аналогична обычным диодам. Важной особенностью туннельных диодов является наличие в интервале напряжений U_макс < U < U_мин отрицательного дифференциального сопротивления, определяемого углом наклона падающего участка ВАХ. Величина отрицательного сопротивления в точке перегиба R обратно пропорциональна максимальному току I_макс и приближенно оценивается как минимальное отрицательное сопротивление:

 - для германиевых диодов;

 - для арсенид-галлиевых диодов.

Емкость р - n-перехода до второй восходящей ветви равна С_р-п (барьерная), затем она должна дополняться диффузионной (как это имеет место в обычных диодах при их открывании).

Туннельные диоды способны работать как усилители и генераторы, только на частотах, где активная составляющая импеданса диода отрицательна, т.е.

.

Отсюда предельная резистивная частота, при которой неравенство превращается в равенство, имеет вид

 или .

Максимальное значение указанной частоты (из исследования на экстремум последней формулы) получаем при . Тогда

.

Основными параметрами, определяющими свойства туннельных диодов (частотные свойства определены произведением r_б C_б), являются:

- отношения токов I_макс /I_мин и напряжений U_макс /U_мин;

- резонансная частота , на которой реактивная составляющая полного сопротивления диода без учета емкости корпуса при R обращается в нуль.

В режиме генерации f_макс = f₀, а в режиме усиления эти частоты должны быть разнесены. Максимальная выходная мощность в режиме генерации приближённо определяется как Р_{вых.макс} » ∆U∆I. Типичные значения параметров германиевых туннельных диодов: I_макс= 1,0 ¸ 2,0 мА, С_б = 0,2 ¸ 1,2 пФ, r_б = 3 ¸ 7 Ом, I_макс/I_мин = 6 ¸ 8, f_макс(ГГц) = 32 ¸ 50, L_к = = 0,05 ¸ 0,25 нГн.

Иногда применяют параметр “удельный ток”, который равен отношению максимального тока к величине барьерной ёмкости, он оказывается удобным для характеристики свойства генераторных диодов - ток и ёмкость пропорциональны площади р - n-перехода и однозначно оценивают максимальную мощность генерации, а ёмкость - предельную частоту (так как С_д = С_к + С_б, то чем меньше С_б, тем выше предельная частота).

Обращённые диоды являются разновидностью туннельных диодов, отличаются меньшей величиной туннельного тока (I_т = 0,5 ¸ 0,01 мА), используются как пассивные элементы радиотехнических устройств (детекторы, смесители, ключевые устройства для сигналов с малой амплитудой) и имеют ВАХ, приведенную на рис. 2.14.

Технологически они отличаются меньшими, чем у туннельных диодов, концентрациями примеси в р - n-областях. Уровень Ферми при таких концентрациях располагается на потолке валентной зоны р-области и на дне зоны проводимости n-области (рис. 2.15).

Рис. 2.14                                Рис. 2.15

Из диаграммы на рис. 2.15 ясно, что туннельный ток в таких приборах наблюдается при обратном напряжении на диодах (при очень малых отрицательных смещениях), и, следовательно, обратные токи значительны при малых обратных напряжениях. При прямом смещении ток обусловлен диффузией носителей через потенциальный барьер р - n-перехода и ВАХ здесь аналогична прямой ветви выпрямительного диода.

Таким образом, в прямом направлении (при малых смещениях) диод обладает значительным сопротивлением, а в обратном - малым. По этой причине он и назван обращённым (пропускает ток в обратном направлении и не пропускает в прямом направлении).

Инерционность обращённых диодов определяется временем перезаряда их ёмкости и зависит от параметров эквивалентной схемы (ёмкости и индуктивности корпуса и т.п.). Как правило, время переключения обращённого диода менее 1 нс.

Вследствие большой кривизны ВАХ эти диоды работают при меньшем уровне сигнала и меньшем уровне мощности гетеродина (накачка менее 100 мкВт), чем обычные детекторные и смесительные диоды. Чувствительность по току в дециметровом диапазоне у обращённых диодов в 10 - 20 раз выше, чем у обычных диодов.

Частотные ограничения, присущие СВЧ-диодам

Основные частотные ограничения работы СВЧ-диодов определяются эквивалентной схемой прибора. Поскольку влияние паразитных параметров диода L_п, С_п может быть скомпенсировано на какой-то одной частоте (включением подстроечных элементов), то предельную частоту будут определять только С_п, r_п и r_б. Термин “предельная частота” имеет различный физический смысл.

Смесительный диод работает при высоком напряжении U_гетер, при этом диод представляют в виде эквивалентной схемы для прямого и обратного напряжений. В этом случае предельной частотой f_пр называют частоту, при которой отношение модуля обратного сопротивления к модулю прямого снижается до , т.е.

.

Для варакторного диода f_пр - это частота, на которой его собственная добротность снижается до 1. Так как он работает при обратном напряжении, то

.

Для детекторного диода f_пр - это частота, при которой на сопротивлении растекания рассеивается половина мощности:

Так как детектор работает на малой мощности, то r_п >> r_б и

f_пр = .

Для туннельного диода f_пр это частота, на которой прекращается действие отрицательного дифференциального сопротивления:

_п ® (-R_п); .

.5 Лавинно-пролётные диоды и диоды Ганна

Эффекты, связанные с разогревом электрическим полем электронного газа в полупроводниках, составляют физическую основу большинства активных твердотельных приборов СВЧ. До 1980 года лавинно-пролетные диоды (ЛПД) и диоды Ганна (диоды с междолинным перебросом) были практически единственными твердотельными генераторами и усилителями в СВЧ-диапазоне. Сегодня эти диоды остаются самыми высокочастотными приборами:

- диоды Ганна работают в диапазоне и свыше 150 ГГц,

- ЛПД работают в диапазоне свыше 300 ГГц.

Генерируемая мощность диодов Ганна и ЛПД - десятки и даже сотни милливатт, КПД - до единиц процента и менее (поэтому они используются только в качестве дискретных элементов и, в основном, в выходных каскадах микроволновых устройств, так как большая рассеиваемая мощность для ИС непригодна).

Всего через год после изобретения туннельного диода в США стало очевидным, что эффект лавинного умножения (пробоя) можно использовать в сочетании с регулируемым временем пролета носителей через активную область для генерации и усиления СВЧ-колебаний.

Предложенная структура р⁺ - n - i - n⁺ технологически была чрезвычайно сложна (по тому времени) и была реализована в США лишь в 1965 году.

В СССР этот эффект был практически исследован и применен уже в 1959 году Тагером для генерации на варакторах когерентных СВЧ-колебаний (за цикл работ в этой области он был удостоен Нобелевской премии). В 1962 году были созданы первые полупроводниковые микроволновые автогенераторы, и сегодня это наиболее перспективный класс приборов генераторного типа с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

ЛПД - диод с динамическим отрицательным сопротивлением. Работа его определяется, в основном, двумя физическими процессами:

- дрейфом носителей (их движением под действием электрического поля);

- лавинным умножением (которое имеет место при электрических полях порядка (3 ¸ 6)×10⁵ В/см для кремния, чтобы носители разгонялись в нем до энергий, при которых они способны генерировать электронно-дырочные пары путем ударной ионизации).

Для анализа процессов, происходящих в ЛПД, используют идеализированную модель мезаструктуры с локализованным пространством умножения носителей. Считают, что это пространство заключено в узком слое в плоскости контакта полупроводников с различными типами проводимости.

Указанная модель применима для анализа структур р - n, р⁺ - n - n⁺, р⁺ - n - i - n⁺. На рис. 2.16 показаны структуры ЛПД и распределение электрического поля вдоль мезаструктуры. В таких приборах из-за резкого изменения электрического поля в пределах запорного слоя эффект лавинного умножения сосредоточен в узкой заштрихованной области вблизи максимума при Е > Е_кр.

Рис. 2.16

Пролётные области (в структурах р - n, р⁺ - n - n⁺, р⁺ - n - i - n), в которых Е < Е_кр, имеют протяжённость, равную , причём во второй и третьей структурах имеется лишь одна пролетная область, а в первой - две (приборы называют соответственно однопролётными и двухпролётными).

Динамическое отрицательное сопротивление в пролётном пространстве ЛПД обусловлено инерционностью процесса ударной ионизации, приводящей к сдвигу тока, вытекающего из слоя умножения, относительно вызвавшего его напряжения, и задержкой тока за счет движения носителей в пролётном пространстве.

На примере однопролётного прибора мы можем видеть, что электронно-дырочные пары генерируются в области сильного поля вблизи

р - n-перехода. При этом дырки сразу оказываются втянутыми в «отрицательную» р-область, а электроны инжектируются в пролётное пространство. Временные диаграммы изменения напряжения и тока в ЛПД приведены на рис. 2.17.

Рис. 2.17

Напряжение на ЛПД контролирует амплитуду тока, вытекающего из слоя умножения. Если напряжение изменяется синусоидально, почти синфазно с ним изменяется коэффициент ударной ионизации , показывающий, какое число пар генерируется одним носителем. Но концентрация носителей в слое умножения меняется несинфазно с изменением напряжения поля, поскольку генерация их зависит от количества носителей в слое умножения. Даже когда напряжение поля, пройдя через максимум, убывает, концентрация носителей в слое умножения продолжает возрастать, так как напряжение поля ещё превышает критическое значение Е_кр. Максимум концентрации приходится на момент, когда величина поля снижается до значения Е_кр. Таким образом, переменная составляющая концентрации носителей в слое умножения отстаёт по фазе от коэффициента ударной ионизации синфазно с напряжением на диоде. Вытекающий из слоя умножения ток инжекции i_e имеет форму коротких импульсов. Сгустки электронов, инжектированные в пролётную область ускоряющим полем, пролетают её со скоростью, равной скорости насыщения (практически не зависящей от переменного напряжения на диоде). Во внешней цепи при этом протекает практически постоянный наведённый ток (i_н).

Максимум отрицательного сопротивления наблюдается, когда напряжение и ток противофазны, поэтому пролётное пространство должно обеспечивать фазовый сдвиг, равный 90⁰, что соответствует пролетному углу .

Как известно, наведенный во внешней цепи ток i_н связан с током, вытекающим из слоя умножения i_e, соотношением

,

где  - время движения носителей в пролетной области.

Разлагая ток i_e в ряд Фурье и считая, что его первая гармоника i_1e сдвинута по фазе относительно напряжения на диоде на угол , получаем выражение для первой гармоники

.

Максимальное отрицательное сопротивление будет при угле пролёта, равном .

Необходимо отметить, что величина фазового сдвига, равная , должна рассматриваться как приближённое значение.

В действительности фазовый сдвиг между напряжением и током, вытекающим из слоя умножения, будет зависеть от частоты и на низких частотах будет равен нулю. Практически рабочая область ЛПД лежит вблизи первого максимума вещественной части отрицательной проводимости (рис. 2.18), т.е. на частотах , где V_s - дрейфовая скорость носителей в режиме насыщения (для кремния эта величина порядка 10⁷ см/с);  - протяжённость дрейфовой области (например, для кремниевых ЛПД, предназначенных для работы на частоте порядка

10 ГГц,  = 5 мкм).

Величина коэффициента лавинного умножения определяется как сумма членов бесконечной геометрической прогрессии:

.

Экспериментальная оценка величины  пропорциональна Е⁶ (Е - напряженность электрического поля в слое умножения), поэтому можно считать, что , где U_пр - пробивное напряжение диода, при котором начинается процесс лавинного роста тока; U - напряжение на диоде в рабочей точке.

ЛПД изготавливают на основе кремния, германия, арсенида галлия. Используя кремниевые ЛПД миллиметрового диапазона (50 ГГц) в импульсном режиме получают мощность 0,35 Вт при КПД около 0,5 %. На более низких частотах получают колебательную мощность до нескольких сотен ватт (на 1 ГГц) при КПД до 40 %.

Особенностью ЛПД является сравнительно высокий уровень шумов (свойственный механизму лавинной ионизации), что используется для создания высокоэффективных генераторов шума.

ВАХ ЛПД на постоянном токе I = f(U) и его эквивалентная схема, включённая в колебательный контур, приведены на рис. 2.19 и 2.20, где С_р, L_р ,G_р - емкость, индуктивность и проводимость колебательного контура при резонансе; G_н - проводимость нагрузки; G_e, B_e - активная и реактивная электронные проводимости ЛПД на частоте автоколебаний.

Рис. 2.18             Рис. 2.19            Рис. 2.20

Для ЛПД малой мощности зависимости выходной мощности, КПД и генерируемой частоты от тока ЛПД приведены на рис. 2.21.

Можно показать, что процесс ударной ионизации практически безынерционен (10^-15с), поэтому верхняя частотная граница пролётного диода определяется ослаблением в сильных полях скорости ударной ионизации (насыщение) и диффузионным распылением электронных сгустков в пролётном пространстве. Диффузионный предел определяется частотой 2, где D - коэффициент диффузии. Частота f_D для кремния порядка 350 - 500 ГГц, для арсенида галлия 130 - 600 ГГц, для карбида кремния (4 - 10)10⁴ ГГц (последний из указанных материалов является наиболее перспективным для создания ЛПД СВЧ).

Диод Ганна - диод, который не имеет р - n-перехода. Прибор был создан (в США промышленные образцы - в 1966 г., в СССР - в 1967 г.) на основе эффекта (обнаруженного в 1963 году Дж.Б. Ганном) возникновения электрических колебаний в однородном кристалле полупроводника при приложении к образцу постоянного электрического поля (величина порогового поля для арсенида галлия порядка 2 - 4 кВ/см). Частота возникающих когерентных колебаний оценивается как

,

где V_др = 10⁷ - дрейфовая скорость электронов при критическом значении поля, см/с;  - длина образца.

Эти колебания связаны с прохождением через образец «доменов» сильного поля (движение «доменов» в двухдолинных полупроводниках и вызываемые этим движением явления называют эффектом Ганна).

Существует и ряд других теорий, поясняющих работу таких приборов, однако описываемая здесь теория наиболее распространена.

В арсениде галлия, как и в фосфиде индия или галлия, р-германии, имеется две долины в зоне проводимости, энергетические уровни которых различны (например, для арсенида галлия они отличаются на 0,36 эВ). Электроны в долине с меньшей энергией имеют значительно бóльшую подвижность, чем электроны в долине с большей энергией (что обусловлено различием эффективных масс электронов m^*) (рис. 2.22).

Рис. 2.21                                Рис. 2.22

Сильные электрические поля сообщают электронам достаточную энергию для движения от одного минимума к другому. Когда верхняя долина с большей энергией более плотно заполнена, чем нижняя, материал имеет дифференциальное отрицательное сопротивление, т.е. при увеличении напряжения большинство электронов движется в зону с малой подвижностью, и ток уменьшается, вызывая объёмные нестабильности.

Самым медленным процессом, определяющим быстродействие прибора, является набор электроном энергии, необходимой для междо-линного переброса и лавинной ионизации - именно эти процессы и определяют верхнюю высокочастотную границу работы. Энергия электронов должна быть порядка 0,3 - 0,5 эВ, что достигается в полях от 3 до 5 кВ/см при их бесстолкновительном ускорении за 2 - 3 пс.

Полескоростная характеристика поясняет процесс появления отрицательной дифференциальной проводимости - объёмной нестабильности (рис.2.23, а). Если учесть, что при равномерном поле  и ток определяется как , то из уравнения Пуассона  становится понятным, что ВАХ повторяет полескоростную характеристику (см. рис. 2.23, б).

а)                                            б)

Рис.2. 23

В планарных диодах Ганна эпитаксиальный активный слой арсенида галлия выращивается на высокоомной подложке и скрыт под изолирующим слоем диэлектрика (например, окиси кремния). Катод и анод выполнены методами фотолитографии.

На сегодня получены образцы диодов Ганна, которые имеют максимальный КПД около 20 % для арсенида галлия и 40 % для фосфид индия.

ЛИТЕРАТУРА

полупроводниковый электроника диод

1. Микроэлектронные устройства СВЧ/ Н.Т. Бова и др.  Киев: Техника, 1984.

. Червяков Г.Г., Кротов В.И. Полупроводниковая электроника: Учеб. пособие. - М.: Уч-метод.издат.центр «Учебная литература», 2006.

-230 с.

. Полищук А. Полупроводниковые приборы на основе карбида кремния - настоящее и будущее силовой электроники // Силовая электроника. 2005. №4.

. Данилин В., Жукова Т. Транзистор на GaN. Пока самый "крепкий орешек"// Электроника: МТБ. 2005. №4. С. 20  29.

. Sabyasachi Nayak, Ming-Yh Kaoet al. 0.15 мт Power pHEMT Manufacturing Technology for Ka- and Q- Band MMIC Power Amplifiers. - 2005 GaAs MANTECH Conf. Dig. Ppr., 2005.

6. Майская В. SiGe-устройства. Нужная технология в нужное время // Электроника: НТБ. 2001. № 1. С. 28 - 32.

. Шахнович И. Твердотельные СВЧ-приборы и технологии. Невоспетые герои беспроводной революции //Электроника: НТБ. 2005. №4. С. 14.

. www.gaasmantech.org. Материалы конференций GaAs MANTech.

. НПП "Исток" развивает технологии твердотельной СВЧ-электроники. Интервью с С.И.Ребровым // Электроника: НТБ. 2005. №4. С. 8  11.

11. E. Kohn, M. Schwitters et al. Diamond-MESFETs  Synthesis and Integration. 2nd EMRS DTC Technical Conference, Edinburgh 2005 (www.emrsdtc.c om/conferences/2005/downloads//pdf/A26.pdf).

12. Валентинова М. Экзотическая память // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 2001. №6. С. 24 - 29.

. Лебедев И.В. Техника и приборы сверхвысоких частот. Т. 1, 2. М.: Высш. шк. 1972.

. Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника/ Под ред. проф. Н.Д. Фёдорова М.: Радио и связь, 1998.

. Березин В.М., Буряк В.С. Электронные приборы СВЧ.  М.:

Высш. шк. 1985.