Физические основы микроэлектроники, конспект лекций, страница 32

При переключении диода в нем протекают переходные процессы (накопление или инжекция неосновных носителей при прямом смещении и рассасывание или экстракция при обратном смещении), которые и ограничивают быстродействие.

Так как эти процессы завершаются, в основном, за время жизни неосновных носителей τ, то чем меньше τ, тем выше быстродействие диода. Поэтому стремятся сделать τ как можно меньше.

По отношению к быстропеременному сигналу р-n переход ведет себя как сопротивление R, созданное запорной областью, зашунтированное емкостью C р-n перехода. При подаче на диод прямого смещения ток в диоде в начальный момент представляет собой, в основном, ток зарядки емкости и по своей величине может быть большим. При переключении диода в запорное направление обратный ток представляет собой в начальный момент ток разрядки емкости и также может быть большим. Чтобы увеличить быстродействие диода и его высокочастотные свойства необходимо уменьшать емкость р-n перехода. Сделать это можно, в частности, переходом к точечным диодам, имеющим предельно малую площадь контакта. Эти и другие меры позволяют довести их рабочие частоты до 10⁹ Гц.

Эквивалентная схема диода представлена на рис. 4.4

Здесь R_a – активное сопротивление перехода, r – сопротивление пассивных прилегающих областей, C_б – барьерная емкость и С_д – диффузионная емкость.

                                                   C_д

 

                       r                                  R_a  

                                                       C_б

Рис.4.4 Эквивалентная схема диода.

Дополнительно к барьерной емкости при прямом смещении перехода добавляется, обусловленное инжекцией неосновных носителей в базу диффузионная емкость. Как показывает расчет, для малого переменного сигнала

C_д = q / 2kT (I_p τ_p + I_n τ_n),                                 (4.25)

Где I_p, I_n – дырочная и электронная составляющие тока через переход;

τ_p, τ_p – время жизни дырок и электронов.

Частотная зависимость эквивалентных параметров несимметричного р-n перехода задается следующими соотношениями    [ I ] :

               (4.26)

                 (4.27)

где  ω – круговая частота,

       I₀ – ток насыщения.

Уменьшение на высоких частотах сопротивления перехода приводит к тому, что все большая часть напряжения, приложенного к диоду, падает не  на переходе, а на сопротивлениях пассивных областей диода. За предельную частоту работы диода принимают частоту, при которой эквивалентное сопротивление перехода оказывается равным сопротивлению r (рис. 4.4)

На высоких частотах эквивалентное сопротивление является барьерной емкостью, так как она не зависит от частоты. Следовательно, r = 1/ (ω_пред* С_б), а, значит,

ω_пред = 1 / (r_* C_б)                                                (4.28)

Сопротивление можно уменьшать, улучшая качество омических контактов и уменьшая толщину пассивных областей. Барьерную емкость можно уменьшить путем уменьшения площади перехода в точечных диодах.

4.2. КОНТАКТ МЕТАЛЛА С ПОЛУПРОВОДНИКОМ.

Свойства контакта с полупроводником зависят, главным образом, от взаимного расположения уровней Ферми в контактирующих материалах.

На рис. 4.5 представлены зонные диаграммы контакта металл – полупроводник n-типа. На рис. 4.5, а показан случай, когда работа выхода электрона из металла больше, чем работы выхода электрона из полупроводника. Ф_м > Ф_n.  На рис. 4.5, б при обратном соотношении Ф_м < Ф_n.  По определению работой выхода или термодинамической работой выхода, называют величину энергии, необходимую при удалении электрона с уровня Ферми на нулевой уровень, за который обычно принимают энергию электрона, вышедшего на поверхность кристалла.