Главная
>
Радитехнология низких температур Однако выражению (2.39) удовлетворяет только идеализированный диод (пуктирная линия на рис. 2.10,а,б) и некоторые типы диодов из германия и арсенида индия при комнатной температуре. Экспериментальные вольтамперные характеристики реальных диодов (сплошная ли-
Рис. 2.10. Вольтамперные характеристики СВЧ диодов в линейном масштабе (а) и в полулогарифмическом масштабе (б): ---теоретическая зависимость (по Шокли): ----экспериментальная .за- писнмость. НИЯ рис. 2.10,а, б) из различных полупроводниковых материалов, особенно при низких температурах, не согласуются с классической теорией Шокли. Новая теория Шок-лн, Нойса, Саа (22], развитая ими примени-77 тельно к кремниевым р-п переходам при комнатной температуре с учетом генерационных и рекомбинационных процессов в слое объемного заряда, позволяет только частично описать вольтамперные характеристики р-п переходов из некоторых материалов, например из арсенида и анти-монида индия при температуре жидкого азота [27, 28]. В реальном полупроводниковом диоде необходимо учитывать как последовательное сопротивление fs толщи полупроводникового материала и контактов, так и сопротивле-ни Rui, шунтирующее переход в обратном направлении, влияние ко- торого при низких температурах возрастает, так как ток насыщения is согласно (2.40) сильно уменьшается с понижением температуры. Можно считать, что ток, проходящий через реальный диод, состоит из четырех компо-нснтоп: / = /d + /rp + / + /T, где 1а - диффузионный ток, описываемый классической теорией, i-=i= is (( /гр - ток, обусловленный генерационно-рекомбина-ционными процессами в слое объемного заряда, определяется по теории Шокли, Нойса и Саа и при средних прямых напряжениях равен /гр = const е*; /и - ток, определяемый процессами на поверхности и весьма малый в обычных условиях при работе в области .прямых токов; /т - ток туннельный, мало зависящий от Т. Токи / и /т имеют существенное значение для обратной ветви I=-\{U) при низких температурах. Анализ экспериментальных характеристик диодов из различных материалов показывает, что с понижением температуры возрастает роль генерационно-рекомбина-ционного тока п уменьшается роль диффузионного тока. Это позволяет для некоторых р-п переходов, изготовленных из арсенида индия [27], при температуре жидкого азота пренебречь составляющей диффузионного тока. Однако в общем случае обе теории ГТГокли не могут дать объяснения характеру вольтамперной характеристики р-п переходов из различных материалов при низких температурах. Как известно, в сильнолегированном германии при обратных напряжениях преобладает туннельный переход носителей. Рассмотрим экспериментальную характеристику диода, представленную на рис. 2.10,а сплошной линией. На ней можно различить следующие характерные участки. 6* - 83 - Участок I на прямой и обратной ветвях характеристики внешних напряжений ] f/ К - ( f/1 < 25 мв при комнатной температуре). На этом участке ток через р-п переход подчиняется закону Ома где 7?о -сопротивление при напряжении, равном 0. Участок на обратной ветви при напряжениях обратного смещения - > На этом участке обратный ток / не остается постоянным и равным току насыщения i , как следует из формулы (2.39). Он всегда растет с увеличением обратного напряжения, а при низких температурах на несколько порядков выше теоретического значения тока насыщения ig (2.40). Основное влияние на ход обратной характеристики при низких температурах оказывает поверхностный ток утечки и туннельный ток при повышенном легировании. t5 основном поверхностный ток утечки обусловлен молекулярными или ионными пленками, шунтирующими переход, а также загрязнением поверхности и поверхностными энергетическими уровнями. Этот ток слабо зависит от температуры. Участок II на прямой ветви (рис. 2Л0,п) существует при достаточно больших прямых напряжениях, когда вольтамперная характеристика переходит в прямую линию. В этой области сопротивлением барьера по сравнению с сопротивлением объема полупроводника можно пренебречь, экспоненциальная характеристика вырождается в линейную, а величина токи диода определяется выражением , так как Ri~f-<rs. Участок III на прямой ветви, прямолинейный в полулогарифмическом масштабе (рис. 2.10,6), характеризует экспоненциальную (нелинейную) часть характеристики. Для смесителей этот участок является рабочим, поэтому на него обратим особое внимание. Только у германиевых диодов при комнатной температуре наклон этого участка экспериментальных характеристик совпадает с наклоном характеристики идеализированного диода, а у остальных диодов, особенно при низких температурах, наклон обычно меньше. Аналитическое выражение для данного участка имеет вид (2.41) где /о - величина тока, определяемая по экспериментальной характеристике; Р - коэффициент, характеризующий степень изменения нелинейности характеристики реального диода по сравнению с характеристикой идеализированного (соответствующего теории Шокли). Коэффициент р можно определить по экспериментальной характеристике, построенной в полулогарифмическом масштабе, из выражения Для идеализированного диода р=1. На рис. 2.11 приведены измеренные вольтамперные характеристики некоторых смесительных диодов при ра.зличных температурах. Как видно из рисунка, о.хлаж-дение до температуры жидкого азога приводит к сдвигу характеристик в области прямых токов вправо, что в основном обусловлено увеличением контактной разности потенциалов [см. выражение (2.14)]. Причем точечные германиевые диоды (Д403В) и кремниевые (Д405Б) при подходе к температуре жидкого азота ведут себя по-разному, что сказывается на крутизне наклона кривых. Наиболее типичные вольтамперные характеристики германиевых диффузионных диодов с концентрацией примесей порядка 5- 10 см~, измеренные при температуре жидкого гелия 4,2° К и жидкого азота 77° К, даны на рис. 2.12. Как видно из рисунка, охлаждение до 4,2° К увеличивает контактную разность потенциалов и приводит к дальнейшему сдвигу прямой ветви вольтамперной характеристики вправо. Резкий скачок прямого тока при U~0,Qe и U~0,Se в основном обусловлен подавлением контактной разности потенциалов внешним напряжением. Отметим, что явление ударной ионизации и возможное при этом увеличение шумов диода ограничивают интервал рабочих напряжений. Как правило, переход от температуры жидкого азота к температуре жид- /, мка 800 300 200 100 Т=77,8°К х- 209 и 77,8° 0.1 о,г 0,3 o.i 0,5 0,6 и,в -и,- Рис. 2.11. Вольтамперные характеристики смесительных СВЧ диодов, изготовленных нз различных материалов, при 7 =300° К и 7 = 77,8°К. Х-2И1-ойразец иа базе InSb. Х-109-диффузионный диод на базе Ge. кого гелия приводит к падению обратного тока и почти не меняет величину напряжения пробоя (рис. 2.12). Для радиотехники низких температур особый интерес представляют диоды, механизм проводимости которых не связан с тепловым возбуждением атомов полупроводника. Как известно, благодаря тому, что тепловое возбуждение является необходимым условием работы обычных полупроводниковых диодов и транзисторов, то при о.хлаждении до 0° К эти приборы должны потерять работоспособность. К приборам, у которых температурный интервал работы много шире, чем у обычных диодов, относятся туннельные диоды. Их работа основана на туннельном прохождении электрона из одной области полупровод- Рис. 2.12. Вольтамперные характеристики германиевых диффузионных СВЧ диодов с концентрацией примеси порядка 5Х Х10 сж-з при Г=4,2К, 7=77° К и Г=300Р К. [981, 5997, 6004 -номера диодов!. ника В Другую. При этом, согласно законам квантовой механики, электрон не расходует своей энергии и может совершать переход даже при полном отсутствии теплового движения (вблизи 0°К). Типовая вольтамперная характерисгика туннельного диода (с относительно слабой степенью легирования)
|