изображена на рис. 2.13. Из рисунка видно, что характеристика имеет участок отрицательной проводимости, дающий возможность использовать этот диод для генерации и усиления. Кроме того, весьма ценны нелинейные свойства этого прибора и возможность работы его в схеме с двумя устойчивыми состояниями.

Вероятность туннельного прохождения зависит от напряженности электрического поля на р-п переходе и

0,3 0,-в

Рис. 2.13. Вольтамперные характеристики германиевых туннельных диодов с относительно невысокой степенью легирования при охлаждении от 290 до 77° К.

ширины обедненного носителями слоя, образующего барьерную емкость р-п перехода. Поэтому для туннельных диодов используется сильнолегированный материал. Например, у германиевых туннельных диодов концентрация электронов и дырок достигает 10 -Юо гм . При этом полупроводник становится вырожденным (полуметаллом), его температурная зависимость ирово-димости близка к аналогичной зависимости металлов, а ширина обедненного слоя составляет всего лишь

около 100 А (0,01 МК). Тогда только за счет контактной разности потенциалов (0,6-0,7 в) напряженность электрического поля равна (6-н7) в/см. Отметим, что резкое возрастание вероятности туннельного эффекта наблюдается примерно при напряженности поля в 10 в/см. Особенностью вырожденных полупроводников, образующих р-п переход туннельного диода, является то, что примесные уровни у них размыты в примесную зону, перекрывающую ближайшую разрешенную

- ва-

зону. Сильное легирование приводит к сужению ширины запрещенной зоны и к смещению уровня Ферми внутрь зоны проводимости или валентной зоны.

Основные явления, происходящие в туннельных диодах при низких температурах, могут быть поняты, если принять во внимание наличие диффузионной и туннельной компонент тока через р-п переход. Прямой диффузионный ток изменяется с понижением Т так же, как и в обычных диодах (с учетом повышеннон концентрации примесей): при малых U ток падает и прямая ветвь вольтамперной характеристики сдвигается вправо (рис. 2.13). Это приводит к улучшению свойств туннельного диода. Максимальное значение туннельного тока /макс имеет сложную зависимость от температуры и определяется вероятностью туннельного перехода электрона сквозь потенциальный барьер Р:

Я = ехр

4 {AEf У2т, д qE п

(2.42)

где 1Пе - эффективная масса электрона:

При уменьшении АЕ и эффективной массы носителей величина Р увеличивается и /макс возрастает. Понижение температуры может привести к уменьшению /макс, если степень легирования материала будет существенно повышена. В таком материале решающим является изменение с о.хлаждением ширины запрещенной зоны АЕ, приводящее к падению /макс Характеристики днода, представленные на рис. 2.13, относятся к случаю относительно слабого легирования, при котором /макс определяется электронами, на.чодящимися вблизи уровня Ферми. Поэтому /макс при Г = 77°К больше, чем при 300° К. Минимальный ток характеристики, который называют избыточным, имеет туннельную природу и при понижении температуры чаще всего падает.

В обращенном туннельном диоде при напряжении, приложенном в прямом направлении, туннельный эффект практически не проявляется. Это обусловлено подбором концентрации примесей, при которой границы указанных выше зон совпадают при отсутствии внешнего смещения на переходе, но зоны не перекрываются. Туннельный эффект в таком диоде начинает сказывать-

ся лишь при обратных смеиениях и приводит к резкому росту обратного тока в области малых напряжений смещения. При этом обращенный диод приобретает сильно выраженные выпрямительные свойства. Эксперименты, произведенные при температуре жидкого азота, показывают, что глубокое охлаждение обращенных диодов вызывает, как и в обычных диодах, сдвиг прямой ветви вольтамперной характеристики в сторону больших напряжений смещений, но почти не изменяет обратную ветвь характеристики. В ряде случаев это оказывается полезным.

Особое место среди полупроводниковых приборов занимают диоды и триоды, в которых используется лавинный механизм умножения тока, возникающий вследствие ударной ионизации в р-п переходе при высокой напряженности поля.

Лавинный триод [35] используется в импульсных генераторах. В режиме умножения работает коллекторный переход при напряжении, близком к пробивному. При устойчивом умножении тока результирующий коэффициент передачи тока такого транзистора )авен a = aoAf, где М - коэффициент умножения тока, эолее интересны лавинно-пролетные диоды, являющиеся активным элементом генераторов СВЧ [54, 55, 56]. В этих диодах используется явление возникновения в определенном интервале частот диапазона СВЧ динамического отрицательного сопротивления при отсутствии отрицательного наклона у вольтамперной характеристики. Дифференциальное сопротивление лавинно-пролет-ного диода при рабочих напряжениях положительно и слабо зависит от тока.

Как показано Тагером А. С, природа динамического отрицательного сопротивления связана с взаимодействием образованной при ударной ионизации в предпро-бойной области лавины свободных носителей тока с СВЧ полем в слое объемного заряда. Для создания таких диодов могут быть использованы различные полупроводниковые материалы, но с определенной концентрацией примесей. Например, в сплавных германиевых переходах устойчивое умножение тока, связанное с ударной ионизацией, наблюдается при удельном сопротивлении порядка нескольких десятых долей ом - см.

- 90 -

Мощность СВЧ колебаний, отдаваемая во внешнюю цепь лавино-пролетным диодом, установленном в резонаторе, зависит от ряда факторов, определяемых температурой среды, окружающей диод, и прежде всего от величины рабочего тока через переход, тока насыщения, времени пролета носителей через потенциальный барьер, величины активного сопротивления потерь н т. д. Поэтому при определенных условиях глубокое охлаждение может коренным образом изменить параметры лавинно-пролетных диодов. Например, одно из основных ограничений, связанное с допустимой мощностью рассеяния на переходе, при низких температурах становится менее существенным, так как мощность рассеяния, отводимая от перехода, равна

где Гпер -температура перехода, обусловленная нагревом при прохождении рабочего тока; Гкор - температура корпуса диода, определяемая температурой криогенной жидкости при о.хлаждении; - тепловое сопротивление между р-п переходом и корпусом диода. Значение R определяется величиной теплопроводности конструктивных материалов диода и держателя при низких температурах.

Эксперименты с германиевыми лавинно-пролетными диодами*, охлаждаемыми до низких температур, показывают, что мощность СВЧ генератора, созданного на основе такого диода, увеличивается в несколько раз по сравнению с величиной мощности при комнатной температуре. Это свойство в сочетании с температурной стабильностью диода при низких температурах расширяет границы применения полупроводниковых СВЧ генераторов.

За последние годы синтезировано и достаточно полно изучено много новых полупроводниковых материалов. Данные некоторых из них в сравнении с германием и кремнием приведены в табл. 2.2. Материалы с меньшей шириной занрещеннон зоны, меньшей энергией иониза-

* Диоды изготовлены Вальд-Перловым В. М.

ции примесей и большей подвижностью носителей заряда, наряду с классическими полупроводниками, повиди-мому, будут основными при создании полупроводниковых приборов для низких температур. Причем может оказаться целесообразным применение различных материалов для разных температур (температуры кипения жидкого гелия, жидкого водорода, жидкого неона, жидкого азота и т. д.). Из таких перспективных материалов

ТАБЛИЦА 2.2

следует отметить бинарные полупроводниковые соединения, состоящие из двух элементов. Прежде всего это антимониды и арсениды, относящиеся к известному классу соединений HI и V групп таблицы Менделеева. Данные вещества имеют кристаллическую структуру, подобную структуре германия п кремния, отличаясь от них наличием некоторой доли ионной связи в решетке. Последнее и приводит к появлению особых свойств у данных соединений по сравнению с их аналогами из IV группы.

Наибольший интерес для радиотехники низких температур представляет антимонид индия InSb, являющийся при комнатной температуре собственным полупроводником и не получивший применения в неохлаж-

даемых радиоустройствах, а также арсениды галлия GaAs и индия InAs.

Эти интерметаллические соединения занимают особое место среди известных полупроводниковых материалов вследствие очень малой эффективной массы носителей заряда и весьма высокой их подвижности. На базе таких материалов могут быть разработаны: параметрические диоды, позволяющие создать за счет охлаждения параметрические усилители с шумами почти такими же, как у мазеров; различные охлаждаемые высокоэффективные устройства, основанные на применении нелинейной емкости р-п перехода; смесительные диоды для охлажденных смесителей с необычно малыми шумами и малыми потерями преобразования; туннельные диоды для охлажденных усилителей, смесителей и генераторов и других устройств; сверхскоростные переключающие п малошумящие транзисторы и другие приборы. Например, параметрический диффузионный диод из InSb с резким переходом [46], о.хлаж-денный до Г- 80° К, имеет

С == (0,1-1) 95, [/ор = (4-5) в

X = (0,27н-0,7) -сел: при U=: - 2e.

Большие преимущества дает применение одного из типичных низкотемпературных полупроводников InSb в криогенных полупроводниковых приборах, например в магнитодиодах [53, детекторах светового излучения. А1агнитодиоды из InSb р-тппа с концентрацией носителей заряда порядка 10 слг и удлиненной базовой областью имеют весьма хорошие параметры при о.хлаж-дении уже до 7=77° К. Вольтовая чувствительность прямой ветви их характеристик с участком отрицательного сопротивления к приложенному магнитному полю достигает 70 мв/гс [50].

Детекторы из InSb, основанные на электронном термомагнитном эффекте [51], на использовании циклотронного резонанса, обеспечивают прием слабых сигналов в диапазоне от субмиллиметровых волн до коротких инфракрасных. Они являются квантовыми приборами также и потому, что работают при таком охлаждении, когда кТ< hv. Отметим, что у ряда германиевых диф-