Физика полупроводниковых приборов Книга 2 - Зи С.
Скачать (прямая ссылка):
диффузия неосновных носителей через прямосмещенный барьер и пролет
носителей через область дрейфа (что приводит к запаздыванию фазы на угол
пролета Зя/2). Обычно ИПД маломощны и имеют низкий к. п. д., однако
отношение сигнал/шум лучше, чем у других диодов. ИПД используются чаще
всего в качестве гетеродинов в СВЧ-приемни-ках.
Инжекционно-пролетный диод представляет собой два выпрямляющих контакта с
общей базой, которая в рабочих условиях полностью обеднена носителями.
Сначала мы рассмотрим протекание тока в таком диоде. Затем проведем
анализ работы в режимах
202
Глава 10
малого и большого сигналов. В разд. 10.7.4 мы рассмотрим работу
родственного прибора - двухскоростного пролетного диода (ДСПД).
10.7.1. Протекание тока
Сначала рассмотрим протекание электрического тока в симметричной
структуре металл-полупроводник-металл (МПМ) с однородно легированным
слоем полупроводника я-типа (рис. 36, а) [76]. На рис. 36, б-г приведены
распределения объемного заряда, электрического поля и энергетическая
диаграмма
Контакт 2
ш
Контакт
I
а
Полупроводник
1
qN0
-W-
т
| Ч?вр +vbi ~
Рис. 36. Структура металл - полупроводник - металл (МПМ-структура) [76].
а- МПМ-структура с однородно легированным полупроводником n-типа; б -
распределение пространственного заряда при малых смещениях диода; в -
распределение поля; г- энергетическая диаграмма.
Лавинно-пролетные диоды
203
смещенного диода соответственно (меньшее положительное напряжение
приложено к контакту /, причем контакт 1 смещен, таким образом, в прямом
направлении, а контакт 2 - в обратном). Ширина обедненных областей
определяется следующими равенствами;
W
' " У WE' (V"' - <65)
= Y jfc(Vb, + V") , (66)
где 1^! и W2 - ширина обедненных областей прямо- и обратно-смещенных
барьеров соответственно, ND - концентрация ионизованной примеси и Уы -
контактная разность потенциалов. В этих условиях полный ток равен сумме
обратного тока насыщения диода Шоттки с высотой барьера срВп,
генерационно-рекомбинационного тока и тока поверхностных утечек.
По мере увеличения напряжения в конце концов произойдет смыкание
обедненной области контакта, смещенного в обратном направлении, с
обедненной областью прямосмещенного контакта (рис. 37, а).
Соответствующее напряжение называется напряжением смыкания (или
напряжением прокола) VRT. Это напряжение можно найти, приравняв Wx -j- W2
= W (где W - ширина n-области):
qND
да = 25Г W2~W[ -гГ" (уы - уг)
2 qND
1/2
ЗЕЛ. w* __ w у/2. (67)
При дальнейшем увеличении напряжения энергетические зоны га контакте 1
становятся плоскими. В этом случае электрические поле при лг = 0 равно
нулю, а падение напряжения на первом контакте V± ~ Уы (рис. 37, б).
Соответствующее напряжение называется напряжением плоских зон VГВ:
у _ qN ?>W2 .fi0
Vfb = ~^2fs--'
Зависимость напряжения плоских зон от концентрации примеси в кремниевых
диодах с различной шириной базы приведена на рис. 38. Для заданной ширины
базы максимальная величина VFB ограничена напряжением лавинного пробоя.
Величина постоянного смещения ИПД в условиях генерации СВЧ-мощности
обычно лежит между V$Т и VFB. В этом случае (VV <С V <С VFB) приложенное
напряжение V связано с высотой барьера, смещенного в прямом направлении,
следующим соотношением:
Vbt - V, = (VfB - Vr/iVFB. (09)
204
Глава 10
Рис. 37. Распределение электрического поля и энергетическая диаграмма
МПМ-структуры при проколе (а) и в условиях плоских зон (б) [76].
Положение точки х$, в которой происходит смыкание обедненных областей,
определяется равенством
xR/W - {V fb - V)/2Vpj}.
(70)
После смыкания обедненных областей ток термически эмиттиро-ванных через
барьер <рвр дырок становится доминирующим:
Jp = A*pTVq ("Bp+Vbt)/i* (eqVi/kT - 1),
(71)
17
Рис. 38. Зависимость напряжения плоских зон от концентрации примеси в
кремниевых диодах с различной шириной базы. Для заданной ширины базы
максимальная величина напряжения плоских зон ограничена напряжением
лавинного пробоя [76].
Лавинно-пролетные диоды
205
где Ар - эффективная постоянная Ричардсона (гл. 5). Из равенства (69) для
V Vrt получаем
Jp - a;tV(tm)bv exp [- q(\Fk^}t] ¦ (72)
Таким образом, после смыкания обедненных носителями областей зависимость
тока от напряжения будет экспоненциальной.
Если ток настолько велик, что концентрация инжектированных носителей
сравнивается с концентрацией ионизованной примеси, объемный заряд
подвижных носителей влияет на распределение электрического поля в области
дрейфа. Это явление называется эффектом ограничения объемным зарядом.
Если дырки пересекают я-область со скоростью насыщения us, а ток J i>qv8
ND, то уравнение Пуассона принимает вид
" = X (n _|_ -L.) ~ (73)
dx es е8 \ и 1 qvs } esvs v 7
Дважды проинтегрировав это уравнение с граничными условиями & =0, V = 0
при х = 0, получим [77]
J-(¦*№-)v - ч** в (гяг)- <74>
Изложенные выше соображения можно применить для других структур, таких,
какр+-п-р+- и -i-п-я-р+ -диоды (рис.39). Выражения для напряжений
