Приборы и устройства оптического и СВЧ диапазонов

101

ров NA, тем ниже опускается уровень Ферми. При высоких концентрациях NA он может оказаться ниже уровня |EА и даже сместиться в валентную зону.

Рассмотренные выше соотношения справедливы для концентраций примесей доноров NД и акцепторов NА, меньших 1016 см-3. Однако существуют материалы, в которые вводится еще большее количество атомов примесей. Предельная концентрация примесей - порядка 1019 см -3, т. е. один атом примеси на 1000 атомов основного вещества. Большего количества ввести невозможно без нарушения кристаллической решетки и резкого изменения свойств вещества (обычно в 1 см3 исходного материала, Ge или Si, 1022 атомов).

Так как положение уровня Ферми зависит от концентрации примесей, то существует такое значение последней, когда уровень Ферми оказывается в разрешенной зоне. Это наступает при концентрации атомов примеси порядка ~5-1018— 1019 см -3. При такой высокой концентрации примеси уровень Ферми оказывается в зоне проводимости полупроводника n -типа или в валентной зоне полупроводника р-типа. Такие полупроводники называются вырожденными. Они используются в качестве исходного материала для изготовления некоторых типов полупроводниковых приборов. По своим свойствам вырожденные полупроводники приближаются к металлам и называются поэтому иногда полуметаллами.

Положение уровня Ферми зависит также от температуры монокристалла. С ростом температуры уровень Ферми примесного полупроводника приближается к середине запрещенной зоны. Любой примесный полупроводник при нагревании приближается к собственному, поскольку концентрации подвижных носителей обоих знаков сравниваются.

Свойства р-п контактов

Электронно-дырочный переход схематически представлен на рис. 3.6. Поверхность, по которой контактируют слои p и n, называется металлургической границей, а прилегающая к ней область объемных зарядов – собственно p – n переходом. При контакте p- n-полупроводников электроны из полупроводника n- типа диффундируют в полупроводник p- типа,

а дырки в обратную сторону до тех пор, пока уровни их химических потенциалов не выравниваются. На контакте при этом появится разность потенциалов ϕ0 (рис. 3.6). Высота потенциального барьера p – n перехода определяется контактной разностью потенциалов

q ϕ0 = E φ n − E φ p ,

где ЕФn и ЕФp – высота уровней Ферми. Для нахождения распределения потенциала и напряжения поля в области объемного заряда необходимо решать уравнение Пуассона.

Переход бывает ступенчатым, резким, с идеальной границей и постоянной концентрацией доноров Nд и акцепторов Na по обе стороны

104

Если к контакту приложить внешнюю разность потенциалов, повышающую высоту барьера (обратное напряжение – минус на металле), ширина обедненного слоя растет, сопротивление контакта увеличивается. Если внешнее напряжение приложено так, что барьер понижается (прямое напряжение – плюс на металле), то ширина обедненного слоя тоже уменьшается. В этом случае будет уменьшаться сопротивление обедненного слоя. На этом явлении основаны выпрямляющие свойства подобного контакта. Контакт Шоттки является основой многих устройств, используемых в технике СВЧ и в низкочастотной технике (радиотехнике, телевизионной и вычислительной технике).

3.2.Лавинно-пролетные диоды (ЛПД)

Механизм работы ЛПД основан на эффекте динамического отрицательного сопротивления, возникающего при лавинном пробое диода в результате ударной ионизации и последующего пролета носителей через запорный слой. ЛПД-диоды (p-n, p-i-n, n-p-i-p - диод Рида) работают в диапазоне 0,5-500 ГГц. В сантиметровом диапазоне КПД ЛПД колеблется до 20-30 %, в дециметровом 6070 %. ЛПД применяются в качестве генераторов, усилителей СВЧ, по мощности сравнимых с маломощными клистронами, и ЛБВ. Лавинный пробой существует

при напряженностях поля порядка 105 − 106 В/см. Применение различных типов полупроводниковых диодов связанно с нелинейным сопротивлением, нелинейной емкостью, дифференциальным сопротивлениемит. д.

Так на основе ЛПД, где проявляется эффект отрицательного дифференциального сопротивления, разработан ряд устройств (генераторов и усилителей) средней и малой мощности, перекрывающих весь диапазон СВЧ от 0,3 до 3000 ГГц. А на основе эффекта Ганна созданы сугубо твердотельные приборы СВЧ, работающие в различных режимах и являющиеся наряду с ЛПД перспективным классом приборов коротковолновой области диапазона СВЧ.

Ударная ионизация. При превышении носителями заряда определенной величины энергии, начнется ударная ионизация. Это означает образование пары новых носителей – электрона и дырки, при соударении носителя с нейтральным атомом.

Ударная ионизация характеризуется коэффициентами ударной ионизации - αр и αп, , показывающими сколько электрон – дырочных пар создается на единице пути (1см) электроном и дыркой соответственно. На рис. 3.7 показано как меняются коэффициенты ионизации для разных материалов в зависимости от напряженности электрического поля, а выражение (3.19) дает представление о величине этих коэффициентов.

106

где Ip0 и In0 – начальный дырочный и электронный токи перехода.

Mp = Ip (W) / Ip (0) , при Ip0 >> In0

M n = In (W) / In (0) , где М - коэффициент лавинного умножения.

Из (3.20) получаем уравнение, характеризующее лавинный пробой:

Здесь α является эффективным коэффициентом ионизации.

Каждый электрон или дырка создают в среднем по электронно-дырочной

паре.

Пролетный режим работы ЛПД. В ЛПД чаще всего используется структура типа n+ - p –i – p + (диод Рида), изображенная на рис. 3.9,а.

Распределение концентрации примесей в областях структуры показано на рис. 3.9, б; напряженность поля на рис. 3.9, в; коэффициент ионизации на рис. 3.9, г. Слой, где возможно лавинное умножение

носителей из-за высокой напряженности поля, очень узкий (0-xл). На участке 0-xл в результате лавинного умножения должно появиться 95% носителей, возникающих в процессе лавинного умножения

X‘

∫α (x)dx = 0,95 .

0

Часть структуры от x=xл до границы между i- областью и р+-областью называют слоем дрейфа ( xл –W).

107

Прицип работы ЛПД. Принцип работы рассмотрим с помощью про- странственно-временной диаграммы, показанной на рис. 3.10

Там, где в слое умножения и дрейфа имеется большая напряженность поля, изменяющаяся по синусоидальному закону, образуется лавина свободных зарядов

– электроны и дырки (сгусток носителей). Этот сгусток, запаздывающий на четверть периода от максимума поля (т.к. для развития лавины требуется время), создает короткий импульс лавинного тока iл(t) на границе x=xл между слоями умножения и дрейфа. Далее носители двигаются в электрическом поле слоя дрейфа, пока не достигнут его границы (x=W) при угле пролета θдр. Если θдр < π, то электронный пакет в момент дрейфа находится в тормозящем полупериоде поля и от-

дает свою энергию полю. В другие моменты носители либо отбирают энергию поля при θдр > π, либо вообще не взаимодействуют с полем при θдр =2π. На рис.2.4 показано, что когда носители достигают границы x=W, появляется дрейфовый ток iдр(t) в виде узкого импульса, повторяющего iл(t). Одновременно изображена кривая наведенного тока iнав(t) , созданного движением короткого сгустка на пути от x=xл до x=W. На рис. 3.10 изображена также первая гармоника iнав1(t) этого тока. Наведенный ток протекает во внешней цепи в отрицательный полупериод СВЧ-напряжения, что эквивалентно появлению отрицательной элек-

( − ) (−1)

тронной проводимости в ЛПД G э 1 . Максимальное значение Gэ имеет место при θдр ≈ π , поэтому оптимальная длина области дрейфа связана с частотой СВЧ-

можно найти мощность, передаваемую потоком носителей.