пературах наступил бы при напряженности всего лишь порядка нескольких вольт на сантиметр вследствие ионизации примесей. Так как в области р-п перехода примеси уже ионизированы, то пробой может наступить только при ионизации атомов основного полупроводни-

,-, потребуется

I I \T=7an°iA I большая энергия иониза-

ции.

Создание полупроводниковых приборов для применения при очень низких температурах возможно различными путями. Прежде всего необхо-1ЛИМЫ поиски полупроводниковых материалов с малой величиной энергии ионизации примесей, малой шириной запрещенной зоны и с большой подвижностью носителей заряда при низких температурах. Там, где это возможно, перспективен путь использования вырожденных полупроводников. Кроме того, большое значение приобретает конструкция диодов, в частности, ширина нейтральных областей и, особенно, толщина базы из полупроводникового материала. Уменьшением этой толщины, например путем проплавления, можно управлять емкостью р-п перехода до весьма глубоких уровней охлаждения даже при использовании таких материалов, как германий, но со специально подобранной концентрацией примеси. Уменьшение расстояния от р-п перехода до не-выпрямляющих электродов (уменьшение толщины нейтральных областей) улучшает также частотные и выпрямительные свойства диодов, так как величина сопротивления потерь Ts при этом падает. ,

0,2 0,3 4 0,5 Св,пф 6)

Рис. 2.4. Зависимости обратного тока (а) и барьерной емкости (5) германиевого диффузионного СВЧ диода от напряжения обратного смещения при Г=290° К и 77° К-

2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Полупроводниковые диоды, свойства которых позволяют создать на их основе различные охлаждаемые радиоустройства, можно разделить на две группы. К первой группе относятся диоды, обеспечивающие улучшение характеристик обычных устройств при охлаждении, а ко второй -диоды, которые дают возможность разрабатывать принципиально новые криогенные устройства, функционирующие только при низких температурах. Эти диоды, часто называемые криогенными, включают в себя магнитодиоды, сверхпроводящие диоды, фотодетекторы, диоды с отрицательным сопротивлением за счет ударной ионизации при работе в области прямых токов и др.

Рассмотрим более подробно основные типы диодов первой группы, к которой можно отнести;

а) параметрические диоды, применяемые в параметрических усилителях, умножителях частоты, электрически управляемых аттенюаторах, параметронах и т. д.;

б) смесительные диоды, применяемые в СВЧ смесителях и детекторах;

в) туннельные диоды, применяемые в усилителях, генераторах, электронных устройствах двоичной информации и др.;

г) обращенные туннельные диоды, используемые в СВЧ смесителях, логических схемах;

д) переключающие диоды, используемые в СВЧ переключателях;

е) лавнино-нролетные диоды, получившие применение в СВЧ генераторах, и ряд других специальных приборов.

Рассмотрим параметрические диоды. Основным свойством диодов этой группы является существенная зависимость емкости Сб от напряжения. В последовательной эквивалентной схеме таких диодов обычно учитывается активное сопротивление потерь г. емкость Сб в рабочей точке и индуктивность выводов. Последовательное активное сопротивление диодов при поданном напряжении обратного смещения определяется сопротивлением контактов и сопротивлением материала полупроводника

(в основном его базы). Если пренебречь сонротивле-ннем контактов, то для имеем

Аэфф

(2.26)

где йэфф - эффективная толщина базы; Na И [in - концентрация примеси и подвижность носителей.

Для оценки параметрических диодов очень часто используют понятие .постоянной времени диода т=г.,Сб.

Чем меньше величина т при той же емкости конкретного днода, тем лучше параметры радиоустройства, в котором он применен. В частности, при этом уменьшаются тепловые шумы параметрических усилителей, обусловленные диодами.

Из выражения (2.26) следует, что для создания параметрических диодов, предназначенных для работы при низких температурах, необходимо, чтобы произведение N-a\x,a оставалось примерно постоянным. Особый интерес при этом будут представлять материалы, у которых вследствие охлаждения удается увеличить это произведение.

Если перейти к понятию добротности диода Q,i на конкретной частоте со, то для ее определения можно воспользоваться известным выражением, которое легко получить из (2.19) и (2.26):

(2.27)

где М =

,- - коэффициент качества материала, из Г которого изготовлен диод.

Как видно, при низких температурах коэффициент качества М, а значит, и Q3 диода могут претерпевать значительные изменения ввиду температурной зависимости Л/п,11п и е при различной концентрации примеси в различных материалах. Более строгое выражение,

полученное Вальд-Перловым для т параметрических диодов, имеет вид

е - 1 , IK

1 - е

(2.28)

где р - удельное сопротивление материала базы; 6- параметр диффузии;

ширина запорного слоя диффузионного диода; толщина базы;

-отношение подвижностей в компенсированных участках германия на границах запорного слоя.

Влияние изменения концентрации примеси Nn на зависимость подвижности носителей \у от температуры показано на рис. 2.5 и соответствует выражениям для 1.1, приведенным в гл. 1. Из рисунка видно, что величина сдвига максимума под-вижности в область низких температур зависит от концентрацпи примеси. Если при понижении температу1)ы кониеитрапчя носителей мало нн-менится, то удельное сопротивление р (и \,) в области максимума подвижности уменьшится. Однако для этого необходимо, чтобы энергия ионизации примеси \гбыла мала, так как температура, при которой наступает деионизацня примесн, определяется выражением

Ti Tz Гз т

Рис. 2.5. Зависимость подвижности носителей заряда в примесном полупроводнике от температуры при различных концентрациях примеси Лп.

Г<,илиГ ,

(2.29)

где 7 = 0,84- 10-4 эвГК.

В данном-случае механизм образования примесных зон не учтен.

Существуют различные методы экспериментального исследования параметрических диодов (измерения г, С,

или производных параметров т и Q этих диодов). При низких температурах удобно использовать резонаторный метод, но с возможностью непосредственного измерения не только г но и емкости р-п перехода при различных напряжениях смещения на нем, а также вольтам-перной характеристики днода. Кратко изложим существо этого метода. Измерительный резонатор с диодом, конструкция которого изображена на рис. 2.6, представим в виде упрощенной эквивалентной схемы рис. 2.7. На этой схеме Lq и Ro - эквивалентные индуктивность и сопротивление потерь резонатора, а Rguo и Сэнв - эквивалентные сопротивление и емкость, которые можно определить как

(2.30)

где Со - емкость резонатора; С - емкость диода; - сопротивление потерь диода. Чтобы получить формулу для определения постоянной времени т или добротности днода (?д, произведем ряд преобразований. Добротность контура, изображенного на рис. 2.7,

откуда

шСэ в(йо + /?э в)

Qo с+с,

Qo

(2.31)

(2.32)

где Q = ----собственная добротность резонатора;

= Q I Я - коэффициент включения диода в ре-зонатор.

Учтем, что добротность колебательного контура равна

АС

(2.33)

где С - емкость контура при резонансе;

АС - разность между значениями емкости, при которых ток в контуре уменьшается в У2 по сравнению с током при резонансе.

линейка Пимб

Поршень настройки

Резонатор

Пара шестерен

Рис. 2.6. Конструкция измерительного резонатора (диод устанаи-ливается вместо диска).