Материал: 2072

Тепловое сопротивление p–n-перехода мезадиодов с цилиндрической геометрией «шейки» равно

где lм – высота мезаструктуры.

Обычно в импульсных диодах lм r0, поэтому тепловое сопротивление p–n-перехода мезадиода примерно втрое больше, чем у сплавного диода с такой же площадью p–n-перехода. У мезаструктур диффузионных диодов значение величины Rp n может доходить до 200–300 оС/Вт.

Тепловое сопротивление планарных p–n-переходов, для которых характерна неглубокая диффузия в глубь полупроводника, определяется выражением

Тепловое сопротивление планарного p–n-перехода примерно вдвое меньше, чем у мезаструктуры, и в полтора раза больше, чем у сплавного диода при одинаковых радиусах p–n-переходов. Это объясняется тем, что планарный p–n-переход может быть представлен в виде круга, лежащего непосредственно на поверхности полупроводника.

При выводе формул (5.1) – (5.3) предполагалось, что ток распределяется равномерно по всей площади p–n-перехода и также равномерно по всей площади выделяется тепловая мощность.

5.3.8. Диоды на «горячих» носителях. Диоды с гетеропереходами

Другой разновидностью приборов без накопления неосновных носителей заряда являются диоды на «горячих» носителях, в которых используется выпрямление в контакте металл – полупроводник. С точки зрения механизма выпрямления эти приборы во многом сходны с неформованными точечными диодами, но при изготовлении их используются новейшие технологические достижения.

На исходной подложке сильнолегированного кремния электронной проводимости выращивается очень тонкая эпитаксиальная пленка высокоомного кремния. Затем напыляется золотой контакт в виде круглого пятна диаметром 20 – 30 мк. Напыление производится в высоком вакууме с тщательной предварительной очисткой поверхности кремния. Лишь при таких условиях удается получить качественный контакт металл – полупроводник. После вытравления мезаструктуры и подведения контактов к

n -кремнию и золотому пятну диод готов (рис. 5.13).

52

щий дальнейшему переходу электронов из полупроводника в металл и тем более обратно. Ширина обедненного слоя тем больше, чем меньше электрически активных примесей в исходном полупроводнике.

Толщина W и удельное сопротивление эпитаксиальной пленки подбираются такими, что уже при нулевом смещении ширина обедненного слоя h составляет большую часть величины W . Практически необходимо получить >10 Ом·см, а W 1 1,5 мк.

При приложении к диоду внешнего электрического напряжения поло-

жительной полярности (плюс – к золоту, минус – к n -кремнию) все электрическое поле сосредотачивается в высокоомной эпитаксиальной пленке. Из-за малой толщины ее уже при малых внешних напряжениях возникают большие напряженности электрического поля. Так, при напряжении около

1 В напряженность поля может достигать 104 В/см.

Под действием таких полей скорость движения электронов резко возрастает и может значительно превысить их среднюю тепловую скорость. Таким образом, воздействие электрического поля на электроны аналогично тому, которое оказало бы и повышение температуры. В этой связи и используется термин «горячие» электроны.

Указанные электрические поля не изменяют колебательного движения атомов и ионов в кристаллической решетке и, таким образом, средняя температура кристалла не изменяется.

«Разогревание» электронов в полупроводнике способствует их более легкому проникновению через потенциальный барьер в металл, это ведет к появлению заметного прямого тока.

При изменении полярности напряжения на диоде величина потенциального барьера повышается и обмен подвижными носителями заряда ме-

53

жду металлом и полупроводником становится все более затруднительным

– через диод протекает лишь очень малый ток утечки.

Поскольку в рассмотренном диоде нет накопления неравновесных носителей заряда, его инерционность определяется лишь величиной электростатической емкости и временем пролета электронов через высокоомный слой кремния, который не превышает 2 10 11 с.

При увеличении обратного смещения обедненный слой расширяется,

при некотором напряжении происходит его смыкание с n -кремнием и наступает электрический пробой.

Экспериментальные образцы диодов на «горячих» электронах имеют пробивное напряжение до 15 – 25 В и прямой ток больше 10 мА при напряжении 1 В. Исследование этих образцов в схеме генератора синусоидальных колебаний гигагерцового диапазона показывает, что диоды на «горячих» электронах имеют время переключения не более 0,1 нс и по быстродействию не уступают точечно-контактным диодам на арсениде галлия. Преимущества диодов на «горячих» электронах по сравнению с неформованными точечными диодами заключаются в значительно большей стабильности и воспроизводимости их параметров. Кроме того, совершенная технология позволяет получить у диодов на «горячих» электронах большую рассеиваемую мощность, большие пробивные напряжения и меньшие обратные токи, а также высокую механическую стойкость.

Возможно изготовление диодов и на «горячих» дырках, однако они обладают худшими частотными свойствами из-за меньшей подвижности дырок.

Близкими к диодам на «горячих» носителях являются приборы с гетеропереходами. В этих приборах выпрямление происходит на границе между двумя полупроводниками с разными ширинами запрещенной зоны. Так же, как и в диодах на «горячих» носителях, из-за различия работ выхода в месте контакта возникает потенциальный барьер Шоттки и в переносе тока участвуют лишь основные носители заряда.

На основе переходов между германием и арсенидом галлия электронной проводимости удалось получить образцы диодов с зарядной емкостью менее 1 пФ и временем переключения менее 1 нс. Теоретические значения

времен переключения лежат в районе 10 11 10 12 с. Получение качественных гетеропереходов связано с очень значительными технологическими трудностями.

Характерной особенностью гетеропереходов является то, что, изменяя тип проводимости и удельные сопротивления исходных полупроводников, удается получить диоды с меньшим прямым падением напряжения, чем у германиевых диодов. Это обещает широкие перспективы развития импульсных диодов, использующих гетеропереходы.

54

5.3.9. Диоды с накоплением заряда. Эффект резкого восстановления

При исследовании переходных характеристик диффузионных диодов обнаружилось, что в отличие от сплавных и точечных приборов для них характерно то, что длительность фазы постоянного обратного тока t1 значительно превышает длительность фазы спада обратного тока t2 (определение значений t1 и t2 дано в 5.3.2). При этом обычно t1 соизмеримо с временем жизни p , а t2 p . Для некоторых типов диффузионных дио-

дов переходная характеристика переключения имеет почти строго прямоугольный вид. Таким образом, сразу после переключения из прямого направления в обратное сопротивление диода в течение времени t1 остается очень малым, таким же, как и для пропускного направления, а затем резко, скачкообразно возрастает практически до бесконечности. В связи с этим подобные диоды получили название диодов с резким восстановлением об-

ратного сопротивления. Кроме того, как будет видно из дальнейшего, заряд переключения подобных диодов практически равен накопленному заряду, в силу чего эти диоды называют также диодами с накоплением заряда или просто накопительными. И, наконец, поскольку обнаруженный эффект обусловливается наличием тормозящего поля в базе, третье название этих диодов – диоды с тормозящим полем.

Обнаружение явления резкого восстановления обратного сопротивления открыло целый ряд новых, неизвестных до сих пор путей схемного использования диффузионных диодов. Прежде всего, с их помощью удается формировать прямоугольные импульсы с очень крутыми фронтами. Простейшая схема такого формирования показана на рис. 5.14.

uвх

Рис. 5.14. Схема формирователя импульсов на диоде с накоплением заряда (а) и эпюры входного и выходного напряжений (б)

55