Основные уравнения электродинамики Распространение волн в реальных диэлектриках Понятие о магнитном токе Тепловое излучение Законы фотоэффекта Контрольная работа

Туннельный диод относится к группе полупроводниковых приборов, вольт-амперные характеристики которых имеют участок, соответствующий отрицательному дифференциальному сопротивлению прибора. Туннельный диод применяется как многофункциональный прибор (усиление, генерация, переключение и др.) для работы преимущественно в области СВЧ. Он может работать и на более низких частотах, однако его эффективность в этом случае значительно ниже, чем, например, транзистора.

Технологические особенности изготовления диодов СВЧ диапазона Характерной особенностью p-n-переходов диодов и транзисторов СВЧ-диапазона является их малая емкость, что достигается уменьшением площади перехода. Конструкция приборов на основе р-n-переходов и технология их изготовления должны обеспечивать точное и воспроизводимое выполнение как поперечных размеров перехода, так и толщины слоев полупроводниковых материалов, а также требуемый уровень и профиль легирования.

Вольт-амперная характеристика туннельного диода Приведена вольт-амперная характеристика туннельного диода. Особенность этой характеристики заключается в следующем. В области обратных напряжений обратный ток растет очень быстро с повышением напряжения, т. е. туннельный диод обладает весьма малым обратным дифференциальным сопротивлением. В области прямых напряжений с увеличением напряжения прямой ток сначала растет до пикового значения I1 при напряжении U1 в несколько десятков милливольт, а затем начинает уменьшаться (участок АВ, в пределах которого туннельный диод обладает отрицательной проводимостью G. Ток спадает до минимального значения I2 при напряжении U2 порядка нескольких сотен миливольт, в дальнейшем прямой ток вновь начинает увеличиваться с ростом напряжения.

Для изготовления туннельных диодов применяются различные полупроводниковые материалы: германий, кремний, арсенид галлия, фосфат индия, арсенид индия, антимонид индия и антимонид галлия. Выбор материала в значительной степени определяется требуемыми параметрами прибора. Наиболее перспективным материалом является арсенид галлия, обладающий наилучшими параметрами. Для германиевых диодов в качестве доноров используют фосфор или мышьяк, а в качестве акцепторов — галлий или алюминий. Для арсенид-галлиевых - олово, свинец, серу, селен, теллур (доноры), цинк, кадмий (акцепторы). Для получения узкого p-n-перехода применяется метод вплавления или диффузии примесей.

Диод Шоттки Физические исследования контакта металл — полупроводник стимулировались прогрессом в области точечно-контактных полупроводниковых выпрямителей. В предвоенные годы немецкий ученый Шоттки получил основные математические соотношения, описывающие электрические характеристики этого контакта, вследствие чего подобную структуру стали называть барьером Шоттки. Однако многие замечательные свойства, предсказываемые теорией для барьера Шоттки, практически наблюдать не удалось из-за очень резкого отличия точечных диодов от идеализированной модели (значительные механические напряжения в приконтактной области, наличие промежуточных окисных слоев, мультиконтактность и т. п.). Этим, а также большими успехами приборов с p-n-переходами и объясняется тот ограниченный интерес в отношении исследований контакта металл — полупроводник и создания приборов на его основе.

p-i-n-диод состоит из трех чередующихся областей: с дырочной, собственной и электронной проводимостью. Между сильно легированными областями с дырочной и электронной электропроводностью находится i-область с концентрацией носителей, близкой к концентрации pi и ni в собственном полупроводнике (рис. 6.4. б). Концентрации носителей в р-области рр и пр , а в n-области nn и рп∙ При подаче прямого напряжения в i-область одновременно инжектируются дырки из р-области и электроны из n-области. Сопротивление i-области и всего диода становится малым, его значение определяется постоянным током, протекающим через диод.. При обратном напряжении дырки и электроны экстрагируются из i-области в p- и n-области соответственно. Уменьшение концентрации носителей в i-области приводит к увеличению сопротивления i-об-ласти и всего диода. Такая зависимость сопротивления p-i-n-диода от напряжения объясняет эффективность его применения в качестве мощного выпрямительного диода, у которого должны быть малое прямое и большое обратное, сопротивления. Разработка p-i-n-диодов с малой емкостью позволила использовать их в СВЧ диапазоне.

Лавинно-пролетный диод (ЛПД)— это полупроводниковый СВЧ-диод, в котором для получения носителей заряда используется лавинное умножение (ударная ионизация) в области электрического перехода и взаимодействие этих носителей с переменным полем в переходе в течение времени пролета. Лавинно-пролетные диоды относятся к классу двух-полюсников, обладающих отрицательным сопротивлением на зажимах, что позволяет испо-льзовать ЛПД для создания генераторов и усилителей. Отрицательное сопротивление ЛПД проявляется только на достаточно высоких частотах и не проявляется в статическом режи-ме. Причиной этого является наличие фазового сдвига между током и напряжением на ЛПД.

Пролетный режим работы ЛПД (IМРАТТ -Avalanche Transit Time — ударная ионизация и пролетное время) работы диода основан на использовании лавинного пробоя и эффекта времени пролета носителей в обедненной области различных полупроводниковых структур. Распределение поля в этой области, определяющее физические процессы в диоде, зависит от типа структуры и закона распределения концентрации примесей в областях структуры. Ниже будет рассмотрена структура типа n+—р—i—p+ (диод Рида) (рис. 7.2, a), в которой области лавинного умножения и дрейфа носителей пространственно разделены.

Параметры их характеристики, особенности устройства и применения ЛПД Основными параметрами ЛПД являются: а) выходная мощность Pвых—мощность генератора на ЛПД в заданном диапазоне частот и напряжения питания. Это важнейший параметр ЛПД. Максимальная полезная мощность генератора при заданном сопротивлении нагрузки зависит от добротности диода и от амплитуды переменного тока и напряжения. Максимальное значение выходной мощности различных типов ЛПД колеблется в пределах 10—100 мВт на частоте 7-50 ГГц;

Для ycилeния и гeнepaции кoлeбaний CBЧ-диaпaзoнa мoжeт быть иcпoльзoвaнa aнoмaльнaя зaвиcимocть cкopocти элeктpoнoв oт нaпряжeннocти элeктpичecкoгo пoля в нeкoтopыx пoлyпpoвoдникoвыx coeдинeнияx, пpeжде вceгo в apcенидe гaллия. Пpи этoм ocнoвнyю poль игpaют пpoцeccы, пpoиcxoдящиe в oбъeмe пoлyпpoвoдникa, a нe в p-n-пepexoдe. В 1961 -1962гг. Ридли, Уоткинс и Хилсум теоретически показали, что однородные образцы из некоторых полупроводниковых материалов могут иметь отрицательную дифференциальную проводимость. В 1963 г. Дж.Ганн экспериментально обнаружил токовую неустойчивость (высокочастотные периодические импульсы тока) в однородных образцах из GaAs и InP с электронной проводимостью (пoэтoмy тaкиe пpибopы нaзывaют диoдaми Гaннa). В oтeчecтвeннoй литepaтype иx нaзывaют тaкжe прибopaми c oбъeмнoй нeycmoйчивocmью или c мeждoлинным пepeнocoм элeкmpoнoв, пocкoлькy aктивныe cвoйcтвa диoдoв oбycлoвлeны пepexoдoм элeктpoнoв из «цeнтpaльнoй» энepгетичecкoй дoлины в «бoкoвyю», гдe oни xapaктepизyютcя бoльшoй эффeктивнoй мaccoй и мaлoй пoдвижнocтью. В инocтpaннoй литepaтype пocлeднeмy нaзвaнию cooтвeтcтвyeт тepмин TED (Traпsferred Electroп Device).

Объемное отрицательное сопротивление Общим условием усиления или генерации колебаний является наличие отрицательного дифференциального сопротивления, или дифференциальной проводимости. Найдем условие, при котором возможно существование отрицательной дифференциальной проводимости в однородных полупроводниках.

Пролетный режим генератора. Обычно так называют режим работы, в котором колебательная система, связанная с прибором Ганна, имеет низкую добротность. В этом случае переменное напряжение на колебательной системе мало по сравнению с постоянным напряжением и не оказывает обратного влияния на процессы в образце из GaAs. Если постоянное напряжение превышает пороговое значение, то в образце возникнут импульсы тока, частота следования которых определяется временем пролета. Этот режим уже рассмотрен как эффект Ганна.

Режим с подавлением домена

Транзистором называют электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним или несколькими электрическими переходами, имеющий три и более выводов. Термин "транзистор" происходит от английских слов transfer of resistor (преобразователь сопротивления). В отличие от вакуумных СВЧ приборов, не имеющих, с точки зрения механизма работы, аналогов в низкочастотном диапазоне, в основе работы полупроводниковых СВЧ-транзисторов лежат те же физические процессы, которые определяют работу транзисторов на низких частотах. Рассмотрим факторы, которые, с одной стороны, ограничивают возможность использования низкочастотных транзисторов в СВЧ-диапазоне и которые приводят, с другой стороны, к конструктивным особенностям СВЧ-транзисторов, являясь основанием для выделения их в самостоятельную группу транзисторных приборов.

Коэффициент усиления и максимальная частота генерации. Для характеристики усилительных свойств СВЧ БТ вводится коэффициент однонаправленного усиления Кр. Он характеризует прямое усиление транзистора по мощности при условиях его согласования с источником сигнала и нагрузкой и компенсации обратной связи внешней цепью без потерь. Этот коэффициент является общей характеристикой БТ. Он не зависит от схемы включения транзистора. Пользуясь эквивалентной схемой БТ при включении с общей базой, можно получить при условии (ω/ωгp)2 <<1 следующее выражение для коэффициента усиления по мощности Кр.

Особенности создания инверсной населенности уровней В полупроводниковых лазерах используется инверсия населенностей, получаемая в полупроводниках с одним или с различными типами проводимости (p-n-переход). Идеальным было бы состояние (рис. 10.9), когда верхние уровни в области 2 полностью заполнены электронами проводимости а нижние в области 1 полностью свободны от валентных электронов, т. е. полностью заполнены дырками. В этом случае инверсия населенности была бы наибольшей.

Высокочастотные полевые транзисторы. Характеристики и параметры

Полевым транзистором называется полупроводниковый прибор, усилительные свойства которого обусловлены потоком основных носителей, протекающим через проводящий канал, управляемый электрическим полем.

Полевые транзисторы были запатентованы в Англии в 1939 г., задолго до появления БT. Kонструктивно-технологические отличия ПT, вытекающие из их принципа действия, позволяют повысить частотную границу СВЧ-транзисторных устройств по сравнению с устройствами на основе БT. Мощность трехфазных цепей Рассмотрим расчет мощности при соединении приемников по схеме четырехпроводной звезды и допустим, что нагрузка несимметрична.

Принцип действия ПT заключается в том, что при изменении напряжения на затворе меняются эффективная ширина пролетного канала и соответственно ток в цепи исток — сток. Полевые транзисторы различаются по методу управления потоком основных носителей заряда, движущихся в полупроводниковом канале. Они могут иметь изолированный затвор, затвор на основе p-n-перехода или затвор на основе барьера Шоттки. Полевые транзисторы с p-n-переходом не позволяют существенно увеличивать уровень мощности вследствие низких допустимых напряжений и малой площади поверхности, отводящий теплоту.

Наиболее широкое применение на СВЧ находят ПТ с барьером Шоттки (рис. 9.5). В таких транзисторах в высокоомной подложке 1, выполненной из GаAs, создан эпитаксиальный проводящий канал 2 n-типа. Через невыпрямляющие контакты, образованные n+- областями 3 и металлическими пленками 4 и 6, канал 2 подсоединен к выводам истока И и стока C. Между истоком и стоком расположен затвор 5, у которого на границе с n-каналом образован барьер Шоттки. При подаче напряжения между стоком и истоком через n-канал протекает электронный ток. Отметим, что подвижные носители заряда в ПT вводятся в n-канал и выводятся из него через невыпрямляющие контакты. Поэтому ПT относят к однополярным (униполярным) полупроводниковым приборам.

Затвор 5 используется в ПT для управления током транзистора с помощью внешнего сигнала. При протекании тока через канал возникает падение напряжения на распределенном сопротивлении канала вдоль его длины. Поэтому часть барьера Шоттки, расположенная ближе к стоку, оказывается сильнее смещенной в обратном направлении, чем остальная часть транзистора. Это приводит к несимметричному расширению слоя обедненного заряда 7 под затвором (на рис. 9.5 область 7 заштрихована). Область обедненного слоя может расширяться до высокоомной подложки 1 и перекрывать проводящий канал. При этом ток транзистора в цепи исток — сток практически перестает зависеть от напряжения стока; наступает режим насыщения тока исток — сток на рабочем участке характеристики транзистора. Характерные размеры БТ: ширина затвора 0,2—2 мм, длина затвора 0,5—2 мкм толщина эпитаксиальной пленки 0,15—0,5 мкм.

Рис. 9.5. Структура полевого СВЧ-транзистора с затвором Шоттки (а), топологическая схема транзистора гребенчатого типа (б) и транзистора с двумя выводами затвора (в):

1-подложка; 2 - канал; 3 - области n+ - вывода истока и стока;

4 - исток; 5 - затвор; 6 - сток; 7 -обедненная область

Повышение обратного смещения на электроде затвора вызывает увеличение ширины обедненной области и тем самым сужение n–канала. При этом возрастает сопротивление n-канала и уменьшается ток стока. Таким образом осуществляется модуляция электронного потока в n-канале с помощью внешнего управляющего напряжения.

В соответствии с общим определением граничной частоты транзистора fгp как частоты, на которой коэффициент передачи входного тока равен единице. Тогда

  (9.10)

где tпр - время пролета электронов через канал.

Таким образом, граничная частота определяется временем пролета электронов в канале tnp, минимальное значение которого достигается при движении электронов со скоростью насыщения uнас и равно

tпр = L/uнас . (9.11)

где L — длина канала; L = l1 + l2 +l3 ;

Очевидно, что для получения высокочастотных приборов необходимо обеспечить малую длину канала и большую дрейфовую скорость насыщения. Из этих условий вытекает ряд требований к материалу транзистора и к размерам его электродов. В качестве материала канала в ПT используют преимущественно арсенид галлия GаAs. Это объясняется тем, что подвижность электронов в этом материале примерно в 6 раз выше, чем в кремнии.

Однако сокращая L, нужно одновременно уменьшать и глубину канала wк (рис. 9.5) так, чтобы выполнялось условие L/wк> 1, в противном случае затвор транзистора не сможет эффективно контролировать движение электронов в канале. Для уменьшения wк используют более высокий уровень легирования канала, не превышающий, однако, 5·1017см-3 (во избежание пробоя). При таком уровне легирования минимальная длина затвора ограничена значением около 0,1 мкм, что соответствует граничной частоте fгр=100 ГГц.

Имеются данные о создании ПT на основе фосфида индия InP, в котором дрейфовая скорость носителей в 1,5 раза выше, чем в арсениде галлия.

Усилительные свойства ПТ на СВЧ, как и в случае БТ, характеризуют коэффициентом однонаправленного усиления Кр и максимальной частотой генерации fmax.

 (9.12)

где Rcи - дифференциальное выходное сопротивление, Rзи - сопротивление части канала между истоком и затвором, неперекрытой обедненным слоем барьера Шоттки

Определяем частоту fтax из условия Кр (fmах) = 1:

  (9.13)

Из (9.13) следует, что для повышения fmax нужно оптимизировать отношение сопротивлений Rси/Rзи и, главное, увеличивать граничную частоту fгp, т.е. уменьшать время пролета электронов в канале tпp.

Важнейшим преимуществом ПТ перед БТ, определившим их широкое применение в приемных устройствах, является малый уровень шумов. Важным направлением в разработке маломощных полевых транзисторов с барьером Шоттки на арсениде галлия является снижение коэффициента шума. Основные источники шума в этом транзисторе — тепловой шум в канале, индуцированный шум затвора и шум паразитных (пассивных) элементов. Тепловой шум в канале — это тепловой шум сопротивления проводящей части канала. Индуцированный шум затвора является следствием шума в канале, так как любая флуктуация потенциала в канале вызывает флуктуацию напряжения между затвором и каналом. Эти шумы при коротких каналах сильно коррелированы (коэффициент корреляции близок к единице). Шумы пассивных элементов связаны с сопротивлением затвора и истока и по своей природе тепловые. Так как шумы в активной области полевых транзисторов с барьером Шоттки очень малы, то шумы пассивных элементов дают больший относительный вклад в общий шум, чем в биполярных транзисторах.

Минимальный коэффициент шума ПТ, реализуемый при оптимальной настройке входной цепи и оптимальной проводимости источника сигнала, определяется выражением

  (9.14)

где S - крутизна транзистора, rз—сопротивление металлизации затвора, Rи- сопротивление части эпитаксиального n-слоя на участках И-3, которые включает в себя сопротивления контактов И.

Из (9.14) следует, что для улучшения шумовых характеристик ПТ нужно уменьшать длину затвора и снижать паразитные сопротивления затвора rз и истока rи.

Поскольку в ПТ преобладают шумы теплового происхождения, то особенно эффективным способом снижения шумов оказывается охлаждение. Одновременно оно позволяет поднять усиление ПТ, так как в GаАs в отличие от кремния и германия при уменьшении температуры возрастают подвижность электронов и их дрейфовая скорость.

Особенностью полевых транзисторов является большое различие сопротивлений источника сигнала, необходимых для получения максимального коэффициента усиления и минимального коэффициента шума. Это приводит к тому, что при минимальном коэффициенте шума коэффициент усиления примерно в 2 раза меньше максимально возможного. Однако в этом случае коэффициент усиления еще достаточно велик (8-15дБ). Необходимо отметить, что существует также трудность согласования полевого транзистора со стандартным СВЧ трактом, особенно на частотах ниже 1—2 ГГц. В связи с этим приходится увеличивать ширину затвора, хотя последнее и приводит к увеличению емкости и сопротивления металлизации затвора.

Для мощных полевых транзисторов требование низкого уровня шума не существенно. Применение арсенида галлия с большой шириной запрещенной зоны (1,4эВ) позволяет повысить рабочую температуру вплоть до 350°C.

В мощных полевых транзисторах необходимо обеспечить высокое напряжение пробоя затвора, низкоомные контакты истока и стока, а также возможно большее значение периметра истока.

Наибольшее применение полевые транзисторы на GаАs с барьером Шоттки нашли в малошумящих СВЧ усилителях. В диапазоне 4—20 ГГц они являются лучшими по шумовым и усилительным характеристикам, чем другие приборы того же назначения. Большой динамический диапазон и хорошие шумовые характеристик» позволяют использовать их в смесителях. В последнее время наметилась тенденция к широкому внедрению полевых транзисторов с барьером Шоттки в усилителях, предназначенных для замены ламп бегущей волны и в параметрических усилителях.

В последнее время значительный интерес проявляется к охлаждаемым усилителям на полевых транзисторах из GаАs с барьером Шоттки. Так как шумы в этих приборах в основном имеют тепловую природу, то охлаждение приводит к существенному, уменьшению коэффициента шума. При этом, в отличие от биполярных транзисторов, коэффициент усиления увеличивается. Трехкаскадный усилитель для спутниковой связи США в диапазоне 11,7—12,2 ГГц имеет при комнатной температуре коэффициент шума 5,3 дБ, а коэффициент усиления 18 дБ. Охлаждение усилителя до 40 К снижает Kш до 1,6дБ и увеличивает коэффициент усиления до 31 дБ, что сравнимо с параметрами неохлаждаемых параметрических усилителей.

Малошумящие усилители на полевых транзисторах из GаАs с барьером Шоттки по сравнению с параметрическими усилителями характеризуются простотой настройки, высоким постоянством усиления, большой мощностью насыщения.

Преимущества ПT, как уже отмечалось, заметно проявляются с повышением рабочей частоты. Так, на частоте 6 ГГц выходная мощность ПT достигает 25 Bт при КПД около 50% и коэффициенте шума 3 дБ. Hа частоте 15 ГГц мощность остается значительной — около 2 Bт, КПД—в пределах 20-25% и коэффициент шума 3 — 6 дБ. Hа частоты выше 15 ГГц БT промышленного выпуска отсутствуют, тогда как ПT, например на частоте 18 ГГц, имеют мощность более 1 Bт при КПД около 10 — 20% и коэффициенте шума, равном 5 — 8 дБ. Малошумящие ПT имеют коэффициент шума 0,7 дБ на частоте 4ГГц; 1,7 дБ на 12 ГГц и менее 3 дБ на частоте 18 ГГц. Малошумящие ПT имеют меньший коэффициент усиления (около 5 дБ). В ближайшее время возможно появление ПT, работающих на частоте до 30 ГГц с выходной мощностью около 1 Bт и коэффициентом шума 3 дБ.

В настоящее время конструктивные параметры и высокочастотные характеристики биполярных и полевых микроволновых транзисторов рассчитываются с применением широко доступных компьютерных программ, позволяющих определить оптимальные режимы по коэффициенту усиления и шума, а также цепям согласования по входу и выходу транзисторов. Компьютерная разработка транзисторных структур позволяет обеспечить их высокую надежность при эксплуатации, улучшить высокочастотные свойства, совершенствовать методы отвода тепла от полупроводникового кристалла, значительно сократить время разработки и ее стоимость.

Контрольные вопросы:

Какой транзистор называют биполярным? Его устройство.

С чем связана граничная частота биполярного транзистора.

Что называют максимальной частотой генерации? Приведите формулу.

Какой транзистор называют полевым? Его устройство?

Перечислите основные характеристики полевого транзистора.

Преимущества полевого транзистора.


Практическое занятие по физике