Минимальные значения добротности определяют частотный диапазон работы варикапа. Низкочастотные варикапы изготавливают из кремния, высокочастотные − из германия n-типа или арсенида галлия. Значение добротности варикапа определяется не только материалом, из которого он изготовлен, но и режимом работы варикапа (максимальная добротность должна соответствовать рабочей частоте), так как при изменении смещения на варикапе будет изменяться не только его емкость, но и его добротность (рис. 10.6). Перспективна разработка варикапов на основе барьера Шотки для

получения более резкой зависимости емкости от напряжения и более высокой добротности.

Основные применения варикапов − электронная перестройка частоты колебательных контуров, усиление и генерация СВЧ-сигналов (параметрические диоды), умножение частоты.

10.6. Туннельные и обращенные диоды

Принцип действия туннельных диодов основан на проявлении туннельного эффекта в n-р переходе, образованном вырожденными полупроводниками. Концентрация примесей в таких полупроводниках составляет 1019 – 1020 см−3, при этом уровни примеси размываются в зону, перекрывающуюся с ближайшей разрешенной полосой. Уровень Ферми расположен в одной из разрешенных зон на глубине ~3kТ от ее границы.

Полупроводники с таким высоким содержанием примесей называются вырожденными, а их свойства очень близки к свойствам металлов. Толщина n-р перехода в этом случае составляет 1−10 нм, что соизмеримо с длиной волны де-Бройля для электронов. Энергетическая диаграмма перехода в состоянии равновесия показана на рис. 10.7, a.

186

Зона проводимости n-полупроводника и валентная зона р-полупроводника перекрываются по энергии на величину ~6kТ, но

суммарный ток через переход при отсутствии внешнего напряжения равен нулю, так как обмен носителями заряда в обоих направлениях равновероятен.

При приложении к переходу прямого напряжения степень перекрытия зон уменьшается и против занятых уровней в n-полупроводнике оказываются свободные разрешенные состояния в р-полупроводнике и в цепи течет ток.

Рис. 10.7. Энергетические диаграммы и ВАХ туннельного диода:

а) U = 0; б) 0 < U < U1; в) U = U1; г) U1 < U < U2 (участок с отрицательным

дифференциальным сопротивлением); д) U = U2;

е) U > U2; ж) U < 0

Максимальное значение тока соответствует условиям рис. 10.7, в.

Дальнейшее увеличение прямого напряжения приводит к уменьшению туннельного тока до нуля при нулевом перекрытии зон (рис. 10.7, г).

Дальнейшее увеличение прямого смещения приводит к уменьшению высоты

187

потенциального барьера и соответственно возрастанию диффузионного тока, как это имеет место в обычных диодах с n-p переходом, смещенным в прямом направлении. Ток через переход в этом случае соответствует ВАХ обычного полупроводникового диода.

В общем случае на прямой ветви ВАХ туннельного диода имеется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. При

приложении к переходу обратного напряжения степень перекрытия зон возрастает, и через переход протекает туннельный ток.

Важное преимущество туннельного диода перед обычными полупроводниковыми приборами заключается в его очень высокой рабочей частоте. Это объясняется тем, что переход электронов в приборе происходит практически мгновенно – за время порядка 1013 с.

Другим преимуществом туннельных диодов является очень малая потребляемая мощность (менее 1 % мощности, потребляемой обычным полупроводниковым прибором). Так как при туннельном переходе электроны не расходуют своей энергии, туннельный диод может работать как при очень низкой температуре, так и при более высокой температуре по сравнению с обычными полупроводниковыми приборами.

Основными параметрами туннельных диодов являются:

∙пиковый ток – прямой ток в точке максимума вольт-амперной характеристики;

∙ток впадины – прямой ток в точке минимума вольт-амперной характеристики;

∙напряжение пика – прямое напряжение, соответствующее максимальному току;

∙напряжение впадины – прямое напряжение, соответствующее минимальному току;

∙емкость диода – суммарная емкость перехода и корпуса диода при заданном напряжении смещения.

Наличие на ВАХ туннельного диода участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением (ток уменьшается при росте напряжения) позволяет на их основе создавать усилительные и генераторные схемы. Туннельные диоды используются в качестве усилителей, генераторов, переключателей, детекторов и смесителей СВЧ-диапазона. При малых ширине, площади и емкости таких переходов рабочая частота их достигает

50–100 ГГц.

Высота потенциального барьера перехода зависит от уровней легирования n- и p-областей диода. При соответствующем легировании можно добиться того, что в условиях равновесия энергия уровней дна зоны проводимости n-области и потолка валентной зоны р-области совпадут. Диоды с такими параметрами называются обращенными. При прямом смещении в таком диоде туннельный ток отсутствует, и прямая ветвь ВАХ определяется диффузионным движением носителей, как в обычных диодах.

Обратная ветвь ВАХ определяется туннелированием носителей через

188

переход. При работе обращенного диода его ветвь обратного тока используется как «проводящий» участок, и соответственно прямой ток при небольших прямых напряжениях принимается за обратный, что и отражено в его названии. Таким образом, обращенные диоды являются разновидностью туннельных диодов и используются в качестве детекторов, смесителей при малых уровнях сигналов.

10.7. Диоды Шотки

Диод Шотки (ДШ) − это полупроводниковый диод на основе перехода металл-полупроводник. Работа этих диодов основана на переносе основных носителей заряда и характеризуется высоким быстродействием, так как в них отсутствует характерное для п-р переходов накопление неосновных носителей заряда. Маломощные ДШ изготовляются на основе кремния и арсенида галлия n-типа и предназначаются для преобразования сигнала СВЧ- диапазона (выпрямление, смешение частот, модуляция) и для импульсных устройств. Силовые (мощные) ДШ для силовой полупроводниковой электроники изготавливаются на основе кремния n-типа, имеют рабочие токи до нескольких сот ампер, исключительно высокое быстродействие (по сравнению с диодами на основе п-р переходов), но низкие рабочие напряжения, не превышающие нескольких десятков вольт.

a) б)

Рис. 10.8. Простейшая (а) и реальная (б) конструкции диода Шотки: 1 − металл анода, 2 − оксид, 3 − охранное кольцо; 4 — область пространственного заряда, 5 − активный слой базы,

6 − сильнолегированная подложка, 7 − металл катода

Диоды Шотки получают, нанося металл непосредственно на полупроводник, легированный донорной примесью. При равномерном

легировании эпитаксиального слоя степень легирования должна быть достаточно низкой, чтобы барьер не оказался проницаемым для туннелирующих электронов. На практике концентрация легирующей примеси для диодов Шотки не должна превышать 1017 см–3. Наиболее часто в качестве металла для создания металлизации используют алюминий,

189

который может служить для создания диодов Шотки. Высота барьера для такого диода составляет примерно 0,7 В.

Для улучшения параметров диода Шотки используют сплав платины и никеля, который образует силицидный слой при взаимодействии с кремнием. Меняя соотношение между никелем и платиной, можно получить высоту барьера от 0,64 до 0,84 эВ. Диоды Шотки с малой высотой барьера можно получить при использовании титана и вольфрама (соответственно 0,53 и 0,59 эВ).

Одной из трудностей при создании диодов Шотки является возникновение сильных электрических полей на краях контакта металл– полупроводник. При критических полях 300 кВ/см в кремнии начинается ударная ионизация и лавинное размножение электронно-дырочных пар, приводящее к сильному возрастанию обратного тока перехода.

Для предотвращения пробоя применяют следующие конструкции:

∙по периметру контакта металл–полупроводник формируют сильно легированную p+–область, так называемое охранное кольцо

(рис. 10.8, б);

∙по периметру контакта Шотки образуют тонкую диэлектрическую прокладку из SiO2 толщиной 0,1 мкм.

Наиболее удачной является структура с охранным п-р переходом. Таким образом, при глубине залегания п-р перехода в несколько микрометров удается повысить напряжение пробоя ДШ до нескольких десятков вольт.

Рис. 10.9. Прямые ВАХ диодов в области больших (а) и малых (б) токов: 1 — диод Шотки; 2 — диод на основе п-р перехода

Обратные токи ДШ на 3−4 порядка больше обратных токов диодов с п-р переходом, а прямые напряжения значительно ниже. На рис. 10.9 показаны прямые ВАХ диода Шотки и для сравнения приведена ВАХ диода с п-р переходом.

190