4. Wybrane rodzaje diod

4.5. Diody silnie domieszkowane

W złączach tak silnie domieszkowanych, że poziom Fermiego wnika w pasmo walencyjne po stronie p i pasmo przewodnictwa po stronie n, obserwuje się przejścia tunelowe elektronów pomiędzy tymi zachodzącymi na siebie pasmami:

Uzupelnij opis obrazka

 

Rys. 4.10 Model pasmowy diody tunelowej

 

Prąd utworzony przez elektrony tunelujące z pasma walencyjnego w obszarze p do pasma przewodnictwa w obszarze n stanowi prąd Zenera (rys. Rtunel). Prąd elektronów tunelujących w przeciwnym kierunku nosi nazwę prądu Esakiego.

W równowadze termodynamicznej prądy te mają niewielką wartość i kompensują się. Polaryzacja złącza w kierunku zaporowym prowadzi gwałtownego wzrostu prądu wstecznego złącza w wyniku przebicia Zenera Ebrzen.

 

Polaryzacja tego złącza w kierunku przewodzenia powoduje coraz większe zachodzenie zajętych przez elektrony poziomów energetycznych w paśmie przewodnictwa na puste stany energetyczne w paśmie walencyjnym. Oznacza to zanik prądu Zenera i gwałtowny wzrost prądu Esakiego:

 

Uzupelnij opis obrazka

Rys. 4.11 Charakterystyka I-U diody tunelowej

 

Prąd Esakiego osiąga maksymalną wartość, gdy wymienione fragmenty pasm nakładają się w największym przedziale energii. Przy dalszym wzroście napięcia polaryzacji przewodzenia obsadzone stany w paśmie przewodnictwa zachodzą na pasmo zabronione w obszarze p, aż do całkowitego zaniku prądu Esakiego. Równocześnie rośnie prąd rekombinacyjny złącza.

 

Wypadkowa charakterystyka I-U (rys. Rtunchar) diody tunelowej posiada więc fragment o ujemnej rezystancji dynamicznej. Dioda ta stosowana jest w układach przełączających, np. do formowania impulsów o stromych zboczach (rys. Rdtflip) oraz wzmacniaczach i generatorach mikrofalowych.

 

Uzupelnij opis obrazka

Rys. 4.12 Przerzutnik z diodą tunelową

 

Właściwości diody tunelowej charakteryzują następujące parametry:

  • współrzędne wierzchołka (IP,UP) i doliny (IV,UV) charakterystyki prądowo-napięciowej,
  • ujemna rezystancja dynamiczna średnia lub minimalna:

 

 

\(r_{dav}=\frac{U_{V}-U_{P}}{I_{V}-I_{P}},\: \: \: r_{dmin}\approx -2\frac{U_{P}}{I_{P}},\)

 (4.11)  

       

  • pozostałe parametry schematu zastępczego (rys. 2.1) z pominięciem pojemności dyfuzyjnej i konduktancji odpowiadającej prądowi rekombinacji,
  • graniczna pulsacja odtłumiania, dla której część rzeczywista impedancji diody jest równa zeru:

 

 

\(\omega _{r}=\frac{1}{C_{j}}r_{d}\sqrt{\frac{r_{d}}{R_{s}}-1},\)

 (4.12)  
  • pulsacja rezonansu własnego, dla której część urojona impedancji diody jest równa zeru:

 

 

\(\omega _{x}=\frac{1}{\sqrt{C_{j}L_{s}}}\sqrt{1-\frac{L_{s}}{C_{j}r_{d}^{2}}}.\)

 (4.13)  

      

Dobierając trochę niższe koncentracje domieszek tak, aby poziom Fermiego wypadał blisko krawędzi pasm, można praktycznie wyeliminować prąd Esakiego:

 

Uzupelnij opis obrazka

Rys. 4.13 Model pasmowy i charakterystyka I-U diody wstecznej

 

Tak wykonana dioda, nazywana jest diodą wsteczną lub zwrotną, ponieważ można ją wykorzystać w zakresie przebicia Zenera jako diodę spolaryzowaną w kierunku przewodzenia. Dioda wsteczna charakteryzuje się niewielkim spadkiem napięcia i bardzo stromą charakterystyką I-U dla takiej polaryzacji, dużą szybkością działania (tunelowanie i unoszenie) i małym poziomem szumów. Dzięki tym cechom dioda wsteczna znajduje zastosowanie jako szarokopasmowa dioda detekcyjna lub mieszająca.

 

W powyższych zastosowaniach jej właściwości charakteryzują głównie parametry:

  • pasmo częstotliwości,
  • czułość diody detekcyjnej, np. prądowa, napięciowa

 

 

\(h_{i}=\frac{I}{P_{w.cz.}},\: \: h_{u}=\frac{U}{P_{w.cz.}},\)

 (4.14)  

gdzie zwarciowy prąd wyprostowany lub napięcie wyjściowe nieobciążonego detektora są odniesione do mocy sygnału wejściowego,

  • straty przemiany dla diod mieszających – stosunek mocy wejściowej sygnału wielkiej częstotliwości do mocy wyjściowej pośredniej częstotliwości przy dopasowaniu na wejściu i wyjściu:      

 

 

\(L=10lg\frac{P_{we(w.cz.))}}{P_{wy(p.cz.))}}.\)

 (4.15)