6.7 Імпульсні і високочастотні властивості р-п-переходу

Імпульсні властивості. Іншою вельми широкою областю застосування напівпровідникових діодів є імпульсні схеми радіоелектроніки, обчислювальної техніки і автоматики. Основним параметром, що визначає придатність діодів для цієї мети, є їх швидкодія, що характеризується тривалістю перемикання р-n-переходу з прямого зсуву на зворотний і, навпаки, із зворотного на прямий.

Розглянемо якими процесами, що протікають в р-n-переході, визначається цей параметр. На рис. 6.14, а схемно показано розподіл основних і неосновних носіїв в р- і n-областях напівпровідника при рівноважному стані р-n-переходу. При поданні на діод прямого зсуву V потенціальний бар'єр переходу знижується на величину і потік основних носіїв через р-n-перехід збільшується в раз, унаслідок чого концентрації дірок біля межі 2 n-області і електрони біля межі 1 р-області (див. рис. 6.14, б) зростають до

          .

Дірки, що перейшли в n-область, і електрони, що перейшли в р-область, стають в цих областях неосновними носіями.

Таким чином, під дією прямого зсуву відбувається ніби «вприскування» неосновних носіїв через межі р-n переходу у відповідні області напівпровідника. Це явище одержало назву інжекції неосновних носіїв.

Дірки, інжектовані в n-область, притягують до себе електрони з об'єму цієї області, внаслідок чого концентрація електронів поблизу р-n-переходу підвищується в порівнянні з концентрацією в об'ємі (рис. 6.14, б). Негативний заряд притягуючих електронів екранує позитивний заряд надмірних дірок.

Така ж картина спостерігається і в р-області: позитивний заряд притягуючих дірок екранує негативний заряд інжектованих електронів. Тому надмірні дірки і електрони, інжектовані відповідно в n- і в р-області, не створюють в них об'ємних зарядів, які своїм полем могли б перешкоджати руху неосновних носіїв в об'єм напівпровідника, що не компенсується. Переміщення цих носіїв в глиб напівпровідника здійснюється виключно шляхом дифузії, швидкість якої пропорційна градієнту концентрації дірок у n-області і градієнту концентрації електронів у р-області.

Рисунок 6.14 – Інжекція неосновних носіїв заряду

Таким чином, при перемиканні діода в ньому протікають перехідні процеси (накопичення неосновних носіїв при прямому зсуві і розсмоктування їх при зворотному зсуві), які і обмежують його швидкодію. Оскільки ці процеси завершуються в основному житті надмірних неосновних носіїв той цей час і визначає швидкодію імпульсних діодів.

З розглянутої картини виходить, що відносно перемикання діод поводиться як опір , створений областю об'ємного заряду, і зашунтований ємністю С_Д, обумовленою накопиченням заряду неосновних носіїв при прямому зсуві і розсмоктуванням його при зворотному зсуві. Цю ємність називають дифузійною ємністю р-n-переходу. При поданні прямого зсуву струм в діоді в початковий момент є в основному струмом заряду ємності С_Д і за своєю величиною може бути великим. При перемиканні діода в зворотний напрям зворотний струм є в початковий момент в основному струмом розряду ємності Сд і також може бути великим.

Як показує розрахунок, для малого змінного сигналу

          (6.29)

де, як випливає з (6.26), і (V – постійний зсув на р-n-переході). Оскільки вже при незначних зворотних зсувах експонента 0, то і С_Д=0. При прямих зсувах j_p j_ps і j_n j_ns тому

C_Д               (6.30)

Для дуже несиметричного р-n-переходу з N_aN_d(p_p0n_n0) сумарні струми j і j_s, які протікають через перехід, практично рівні j_p і j_ps, відповідно і

C_Д = (6.31)

З (6.29) – (6.31) витікає, що для зменшення С_Д і підвищення швидкодії діодів необхідно зменшувати час життя надмірних неосновних носіїв t, легуючи n- і р-області домішкою, що створює ефективні рекомбінаційні центри. Такою домішкою є, зокрема, золото, легування яким дозволяє знизити до декількох наносекунд.

Частотні властивості р-n-переходу. Крім дифузійної ємності, електронно-дірковий перехід має ще так звану бар'єрну або зарядну ємність, пов'язану із зміною величини об'ємного заряду р-n-переходу під впливом зовнішнього зсуву.    

Підвищення потеаціального бар'єра р-n-переходу при зворотному зсуві відбувається за рахунок розширення шару об'ємного заряду (рис. 6.11, д).

Прямий зсув викликає приток основних носіїв до області об'ємного заряду (рис. 6.11, г), в результаті якого заряди, створені зовнішнім джерелом ЕРС на омічних контактах, переносяться до р-n-переходу і звужують його (на рис. 6.11, г звуження р-n-переходу показано штриховкою).

Після встановлення стаціонарного стану практично вся напруга V спадає на р-n-переході, оскільки його опір на багато порядків вищий, ніж опір решти областей напівпровідника.

Таким чином, прикладена до р-n-переходу зовнішня напруга викликає появу в перший момент часу імпульсу струму в зовнішньому колі, що приводить кінець кінцем до збільшення або зменшення об'ємного заряду

р-n-переходу. Тому перехід поводиться як ємність. Її називають бар'єрною, або зарядною ємністю, оскільки вона пов'язана із зміною потенціального бар'єра р-n-переходу. При поданні на перехід зворотного зсуву бар'єрна ємність заряджається, при подачі прямого зсуву – розряджається.

З рис. 6.11, г, д видно, що плоский р-n-перехід подібний плоскому конденсатору. Тому величину бар'єрної ємності можна обчислювати за формулою плоского конденсатора

                                             (6.32)

де – площа р-n-переходу; – діелектрична проникність напівпровідника; – товщина шару об'ємного заряду, що відіграє роль відстані між обкладками конденсатора. Відмінність від конденсатора полягає в тому, що у виразі (6.32) не є величиною постійною, а залежить від зовнішнього зсуву .

Для плавних р-n-переходів

     С_б = S                    (6.33)

Цими формулами зручно користуватися для малого змінного сигналу, накладеного на постійний зсув V.

Таким чином, діод може бути поданий такою спрощеною еквівалентною схемою: паралельно нелінійному активному опору р-n-переходу приєднані нелінійна дифузійна С_д і бар'єрна С ємності, послідовно з цим колом приєднаний опір пасивних областей діода

(рис. 6.15). Для з'ясування особливостей роботи діода на високих частотах проаналізуємо детальніше цю схему.

Активний опір р-n-переходу при малому змінному сигналі низької частоти визначається співвідношенням (6.28). При цьому під низькою частотою розуміється така частота сигналу , для якої період коливань набагато більший часу життя інжектованих носіїв, тобто t_p. У цьому випадку за час у переході встигають протікати всі перехідні процеси і дифузійна ємність описується співвідношенням (6.31), а бар'єрна – (6.33).

У міру підвищення частоти сигналу часу виявляється більшою мірою недостатньо для завершення перехідних процесів. Це повинно призводити до зменшення числа носіїв, інспектованих в позитивний півперіод сигналу, і тим самим до зменшення дифузійної ємності. Крім того, інжектовані носії не встигають продифундувати в глибину пасивних областей діода на дифузійну довжину, зосереджуючись з великим градієнтом в тонкому шарі біля меж р-n-переходу, що повинно призводити до збільшення прямого струму, тобто до зменшення активного опору р-n-переходу.

У негативний півперіод сигналу висока концентрація неосновних носіїв, що не встигли продефундувавти в глибину пасивних областей і локалізованих в тонкому шарі біля меж р-n-переходу, повинна також приводити до збільшення зворотного струму, а отже, до зменшення активного опору зворотно зміщеного переходу.

Таким чином, підвищення частоти сигналу, що подається на р-n-перехід, повинно приводити до зменшення активного опору _а і дифузійної ємності С_Д. Як показує розрахунок для несиметричного р-n-переходу

,               (6.34)

.               (6.35)

Для низьких частот (1/) ці вирази переходять в (6.28 і (6.31). Для високих частот (1/) одиницями в підкореневих виразах (6.34) і (6.35) можна нехтувати в порівнянні з . Тоді

     ,                    (6.36)

     .                    (6.37)

Провідності, властиві опору і ємності рівні

=      ,                    (6.38)

=                          (6.39)

Як бачимо, вони рівні між собою: = .

Оскільки , а = ,

то активний опір р-n-переходу на високих частотах не залежить від часу життя інжектованих носіїв і зменшується обернено пропорційно :

.                              (6.40)

Аналогічно поводиться і опір дифузійної ємності С_Д:

                                        (6.41)

На рис. 6.16 схематично подана залежність _а і С_Д від частоти сигналу, штриховою прямою показана бар'єрна ємність р-n-переходу, не залежна від . З рис. 6.16 видно, що на високих частотах бар'єрна ємність стає більше дифузійною, унаслідок чого її провідність перевищує провідність дифузійної ємності і рівну їй активну провідність р-n-переходу.

Зменшення на високих частотах опору р-n-переходу призводить до того, що велика частина напруги, прикладеної до діода, спадає не на переході, а на опорі пасивних областей діода. На частотах, на яких опір

р-n-переходу стає набагато меншим , струм як при прямому, так і при зворотному зсувах визначається вже не ним, а , внаслідок чого діод втрачає свої властивості, що детектують. За максимальну частоту роботи діода () приймають частоту, при якій величина еквівалентного опору р-n-переходу (між точками 1 і 2 рис. 6.15) виявляється рівною опору пасивних областей . Оскільки на високих частотах еквівалентний опір

р-n-переходу визначається бар'єрною ємністю , то при визначенні граничної частоти необхідно порівнювати з опором бар'єрної ємності С_б і оцінювати із співвідношення

     .               (6.42)

З (6.42) витікає, що для збільшення граничної частоти роботи діода необхідно зменшувати . Опір можна зменшувати, покращуючи якість омічних контактів до n- і р-областей діода і зменшуючи товщину цих областей. Здавалося б, що підвищити можна також зменшенням площі р-n-переходу, оскільки при цьому повинна зменшуватися ємність . Проте у такий спосіб можна досягти підвищення тільки у точкових діодів. Насправді для плоских переходів , тому не залежить від S. Для точкових же діодів =, де – питомий опір напівпровідника; а – радіус півсферичного контакту; – площа переходу (рис. 6.17). Оскільки то і . Тому зменшенням можна досягти підвищення .

До збільшення приводить і зменшення питомого опору r – пасивних областей діода. Дійсно, наприклад, для несиметричного р-n-переходу з високоомною n-областю тому де – питомий опір n-області. Слід, проте, пам'ятати, що із збільшенням ступеня легування пробивна напруга
р-n-переходу cпадає і врешті-решт ми одержуємо спочатку характеристику оберненого діода (найбільш високочастотного), а при ще

сильнішому легуванні – тунельного діода, вже непридатного для детектування.