- •Электроника и схемотехника
- •Аналоговых электронных
- •Устройств
- •Учебное пособие
- •1. Полупроводниковые приборы
- •1.1. Полупроводниковые диоды
- •1.1.1. Устройство и классификация полупроводниковых диодов
- •1.1.2. Физические процессы в p-n-переходе
- •1.1.3. Работа диода при подключении внешнего обратного напряжения
- •1.1.3.1. Тепловой ток диода
- •1.1.3.2. Токи генерации и утечки в реальных диодах
- •1.1.4. Работа диода при подключении внешнего прямого напряжения
- •1.1.5. Основные параметры диодов
- •1.1.5.1. Сопротивления диода
- •1.1.5.2. Емкости диода
- •1.1.6. Типы полупроводниковых диодов
- •1.1.6.1. Выпрямительные диоды
- •1.1.6.2. Стабилитроны
- •1.1.6.3. Варикапы
- •1.1.6.3.1. Вольт-фарадная характеристика варикапа
- •1.1.6.3.2. Добротность варикапа
- •1.1.6.4. Туннельный диод
- •1.1.6.4.1. Принцип квантово-механического туннелирования
- •1.1.6.4.2. Вольт-амперная характеристика туннельного диода
- •1.1.6.5. Импульсные диоды
- •1.1.6.6. Диоды с накоплением заряда
- •1.1.6.7. Диоды с барьером Шоттки
- •1.1.6.8. Лавинно пролетные диоды
- •1.1.6.9. Фотодиод
- •Рассмотрим общие характеристики фотодиодов.
- •1.2. Биполярные транзисторы
- •1.2.1. Устройство и режимы работы транзистора
- •1.2.2. Физические процессы, протекающие в транзисторе, работающем в активном режиме
- •1.2.3. Схемы включения, основные характеристики и параметры транзисторов
- •1.2.3.1. Схема включения транзистора с общей базой (об)
- •1.2.3.2. Основные параметры транзистора с об
- •1.2.3.3. Схема включения транзистора с общим эмиттером (оэ)
- •1.2.3.4. Выходные и входные характеристики транзистора , включенного по схеме с оэ
- •1.2.3.5. Параметры транзистора, включенного по схеме с оэ
- •1.2.3.6. Схема включения транзистора с общим коллектором (ок)
- •1.2.3.7. Параметры транзистора с ок
- •1.2.4. Эквивалентные схемы транзисторов
- •1.2.4.1. Эквивалентная схема транзистора в виде модели Эберса-Молла
- •1.2.4.2. Дифференциальные параметры и малосигнальные эквивалентные схемы транзистора
- •1.2.4.3. Эквивалентная схема транзистора в h-параметрах
- •1.2.4.5. Эквивалентная схема транзистора в y-параметрах
- •1.2.5. Инерционные свойства биполярного транзистора. Зависимость параметров биполярного транзистора от частоты.
- •1.2.5.1. Процессы в схеме с общей базой
- •1.2.5.2. Процессы в схеме с оэ
- •1.3. Полевые транзисторы
- •1.3.1. Транзисторы с управляющим p-n-переходом.
- •1.3.1.1. Устройство и принцип работы полевого транзистора с управляющим p-n-переходом
- •1.3.2. Полевой транзистор, включенный по схеме с ои а) с n-каналом,
- •1.3.2. Дифференциальные параметры.
- •1.3.3. Полевые транзисторы с изолированным затвором.
- •1.4. Тиристоры
- •1.5. Интегральные схемы
- •1.6. Полупроводниковые датчики и индикаторные приборы
- •1.6.1. Полупроводниковые датчики температуры
- •1.6.2. Магнитополупроводниковые приборы
- •1.6.3. Приборы с зарядовой связью
- •1.6.4. Фотоэлектрические приборы. Понятие об оптоэлектронных приборах.
1.1.6.7. Диоды с барьером Шоттки
Получили название по имени немецкого физика Шоттки, разработавшего в 30-х годах основы теории контакта металл - полупpоводник.
Диод Шоттки выполнен на основе перехода металл - полупроводник. Обычно в качестве полупроводника используется n-кpемний, а в качестве металлического электрода молибден, золото, алюминий и другие металлы, работа выхода которых для образования выпрямляющего контакта должна быть больше работы выхода кремния.
Устройство диода Шоттки показано на рис. 1.1.19.
На пластину низкоомного кремния (область n+) наращивается тонкий (несколько микрон) эпитаксиальный слой более высокоомного кремния с концентрацией примесей порядка 10Е16см-3(область n). На поверхность этого слоя методом вакуумного испарения осаждается слой металла, площадь перехода обычно очень мала (20-30мкм в диаметре), и барьерная емкость не превышает 1пФ.
О
Рис. 1.1.19. Устройство
диода Шоттки
зуется в результате объединения пpиконтактного слоя п олупроводника основными носителями зарядов (в данном случае электронами). Поэтому при подключении прямого напряжения (плюс на металле) прямой ток возникает в результате движения основных носителей зарядов (электронов) из полупроводника в металл через пониженный потенциальный барьер перехода. Таким образом, в базе диода (n-кремний) не происходит накапливания и рассасывания неосновных носителей.
Основным фактором, влияющим на длительность переходных процессов, является процесс пеpезаpядки барьерной емкости. Значение весьма мало (не более 1 пФ); очень малы также и омические сопротивления электродов: металла и n+-кpемния. Вследствие этого время перезарядки емкости , а следовательно, и длительность переходных процессов также малы и составляют десятые доли наносекунды. Эти свойства позволяют использовать диоды Шоттки в наносекундных переключательных схемах, а также на рабочих частотах вплоть до 10-15 ГГц.
Вольт-ампеpная характеристика диодов Шоттки описывается, почти идеально (рис. 1.1.3). Это обстоятельство позволяет с успехом использовать диоды Шоттки в качестве логарифмирующих элементов.
Мощные диоды Шоттки, предназначенные для работы в выпрямителях переменного тока, могут обеспечить прохождение прямого тока до нескольких десятков ампер при прямом падении напряжения на диоде порядка 0.5-1В. Допустимое обратное напряжение в таких диодах 200-500В.
Обратный ток в диоде Шоттки не велик: в переключательных диодах ток составляет десятки пА. Обратный ток зависит от равновесной концентрации электронов вблизи перехода, а также от среднего значения их тепловой скорости и площади перехода.
1.1.6.8. Лавинно пролетные диоды
Полупроводниковые диоды (с резкими и плавным p-n-переходами), работающие в режиме лавинного пробоя, обладают отрицательным динамическим сопротивлением в узком интервале частот переменного сигнала СВЧ-диапазона. Это свойство полупроводниковых приборов используется для создания усилителей и генераторов радиоволн сантиметрового и миллиметрового диапазонов. Диоды, использующиеся в этих устройствах, получили название лавинно-пролетных диодов (ЛПД), так как появление у них отрицательного динамического сопротивления обусловлено инерцеальностью развития лавинного пробоя и наличием конечного времени пролета носителей через обедненную область заряда (ООЗ) p-n-перехода.
Механизм усиления переменного сигнала лавинно-пролетным диодом рассмотрим на примере n+-p-i-p+-структуры, распределение напряженности поля в которой при обратном смещении показано на рис. 1.1.20. При построении зависимости пренебрегаем наличием ООЗ в n+- и p+-областях. Поскольку концентрация примесей в i-области в идеальном случае равна нулю, то ООЗ занимает всю длину этой области, и напряженность поля в интервале значений х от до W не зависит от координаты.
Предположим, что на n+-p-i-p+ структуру подано постоянное обратное напряжение, при котором напряженность поля в точке и в ее окрестности немного меньше напряженности поля пробоя . При этом для n+-p перехода не выполняется условие лавинного пробоя и через структуру течет малый обратный ток.
Подадим на ЛПД переменное напряжение, амплитуда которого достаточна для того, чтобы в течение определенной части полупериода суммарная напряженность поля превышала
Рис. 1.1.20. n-p-i-p
структура и распределение напряженности
поля в ней.
Избыточные электроны практически мгновенно выбрасываются полем n+-p-перехода в n+-область, а дырки дрейфуют в сильном электрическом поле до тех пор, пока не достигнут точки и не попадут в p+-область. В связи с этим, участок ООЗ от до называется областью дрейфа.
Поскольку лавинное умножение обусловлено серией последовательных актов неупругих соударений атомов и горячих носителей заряда с атомами полупроводника, то для получения в области умножения заметного количества избыточных электронно-дырочных пар необходимо определить время после того как напряженность поля достигнет величины . Обычно время лавинного запаздывания с.
Можно подобрать частоту переменного сигнала, подаваемого на ЛПД, таким образом, чтобы концентрация избыточных дырок, инжектируемых из области умножения в область дрейфа, достигала максимума спустя четверть периода после того, как напряженность поля в n+-p-переходе имела наибольшее значение. Такая ситуация показана на рис. 1.1.21. Переменное напряжение достигает максимальной величины при значении фазы , , а инжекционный ток дырок в область дрейфа имеет наибольшие значения при .
Напряженность поля в области дрейфа n+-p-i-p+-структуры обычно настолько велика, что скорость дрейфа носителей, инжектированных в нее, достигает своего максимально возможного значения . Тогда время их пролета через область дрейфа
Рис. 1.1.21. Зависимости
от фазы: а - переменного напряжения,
подаваемого на ЛПД, б – тока в цепи и
инжекционного тока
(1.1.32)
Зная величину , можно подобрать ширину области дрейфа таким образом, чтобы время пролета через область дрейфа составляло полупериод переменного напряжения. В этот полупериод, когда направление векторов напряженности переменного и постоянного поля противоположны, сгусток дырок в области дрейфа ускоряется постоянным полем и тормозится переменным, что приводит к трансформации энергии постоянного электрического поля в энергию СВЧ-поля. В следующую четверть периода суммарная напряженность поля в области умножения вновь достигает величины , и к концу полупериода за счет развития лавинного пробоя возникает новый сгусток избыточных носителей. Затем процесс повторяется. Таким образом, осуществляется периодически повторяющаяся перекачка энергии постоянного электрического поля в СВЧ-мощность. Зависимость тока, возбуждаемого во внешней цепи избыточными носителями заряда, от фазы показана на рис. 1.1.21, б. Из сопостовляемых фазовых (или временных) зависимостей переменного напряжения и тока видно, что в описанных выше условиях динамическое сопротивление n+-p-i-p+ -структуры отрицательно.
Недостатком ЛПД является то, что они обладают высоким уровнем шумов, причиной возникновения которых является статистическая природа генерации электронно-дырочных пар в процессе развития лавинного пробоя в области умножения. Коэффициент шума усилителей на низком уровне сигнала составляет 20-30 дБ для диодов из GaAs и 3 -40 дБ для кремниевых. При высоком уровне сигнала шумы могут значительно возрасти. Шумы ограничивают минимальный уровень СВЧ-сигнала, который может быть усилен. С другой стороны, это свойство ЛПД нашло практическое применение для создания калиброванных генераторов шума, обладающих непрерывным спектром излучения в достаточно широкой полосе частот.