и минимальную постоянную времени в виде

-тин rrr--

Vrlr,-l

где f - модуль отрицательного сопротивления; Со - барьерная емкость, определяемая выражением (2-826). Поскольку р-п переход в туннельном диоде очень узкий {1 = 0,01 -ь 0,015 мкм), емкость Со даже при малой площади (10 см) значительна. Если принять типичные значения Го = 1 Ом; f = 10 -ь 100 Ом и Со = 10 -f-50 пФ, то т = 0,2 1,0 не; / . е = 20 - 1000 МГц, т е. время переходных процессов может составлять доли наносекунды, а усиливаемые и генерируемые частоты - сотни и тысячи мегагерц.

Следует заметить, что значение f не остается постоянным на отрицательном участке: оно минимально при [/ 1,8 {У и увеличивается по обе стороны от этой точки. Поэтому частотные свойства диода существенно зависят от режима.

При работе туннельных диодов в импульсных схемах, в которых токи и напряжения меняются в широких пределах, более удобным показателем быстродействия (длительности фронтов) является, как показано в работе [54], отношение /i/Со. Чем больше это отношение, тем вьш1е скорость перезаряда емкости и тем меньше длительность фронтов. Для германиевых диодов указанное отношение обычно составляет десятые доли миллиампера на пикофараду; для ар-сенидо-галлиевых диодов оно примерно на один порядок выше (1 мА/пФ соответствует скорости изменения напряжения 1 В/нс).

При работе туннельного диода существенную роль играют паразитные индуктивности вводов и тем более подводящих проводов (рис. 3-10). Да>:{е весьма малая индуктивность (L ?w 0,01 мкГ) при суммарной емкости схемы 20 пФ соответствует частоте 500 МГц, лежащей в диапазоне рабочих частот диода. Наличие паразитного колебательного контура с отрицательной составляющей сопротивления нередко приводит к самовозбуждению схем на высокой частоте и требует принятия мер по его предотвращению. Поэтому иногда оказывается целесообразной коаксиальная конструкция диода, характерная для многих элементов СВЧ.

Малая величина отрицательного сопротивления сильно осложняет снятие характеристики диода экспериментальным путем, так как требуется источник напряжения с внутренним сопротивлением не более нескольких ом. В противном случае при измерении будут происходить скачки тока и отрицательный участок останется неисследованным. Не меньшие сложности при измерении обусловлены паразитными индуктивностями и самовозбуждением схемы [16].

Туннельный диод представляет собой универсальный прибор, способный выполнять все функции, свойственные активным элементам электронных схем. Поэтому вопросы применения туннельных диодов составили в свое время отдельную область прикладной элек-

хроники, в результате выяснилось, что диодные схемы настолько сильно отличаются от триодных, что требуют пересмотра многих привычных методов построения и расчета электронных схем [55]. В связи с прогрессом транзисторной техники и особенно микроэлектроники такой пересмотр структурных основ электронных схем оказался практически нецелесообразным. Соответственно туннельные диоды в настоящее время не являются альтернативой транзисторов, а занимают свое, сравнительно узкое место в области генераторов и усилителей СВЧ диапазона.

Интересным вариантом туннельного диода является так называемый обращенный диод, характеристика которого показана на рис. 3-И. Как видим, особенность обращенного диода состоит в том, что отсутствует (или очень мал) максимум на прямой ветви. В этом случае логично повернуть характеристику на 180° (показано пунктиром) и считать прямую ветвь обратной, а обратную - прямой. Таким образом, обращенный диод имеет значительно меньшее прямое напряжение, чем

обычные полупроводниковые диоды (у которых оно составляет сотни милливольт и более), что очень ценно для многих применений [161. Однако его обратное напряжение тоже весьма мало (0,3-0,5 В) и с этим нужно считаться при расчете схем. Технология туннельных и обращенных диодов почти одинакова; различие состоит главным образом в подборе исходных материалов (у обращенных диодов концентрация примесей меньше, чем у туннельных).

Рис. 3-11. Статическая характеристика обращенного дксда.

3-4. ДИОДЫ ШОТТКИ

В основе диодов Шоттки лежит контакт между металлом и полупроводником. Такой контакт, как отмечалось в § 2-4, при определенных условиях может обладать выпрямительными свойствами. Для этого необходимо, чтобы приповерхностный слой полупроводника в равновесном состоянии был обеднен основными носителями и чтобы сопротивление обедненного слоя было много больше сопротивления остальной части полупроводниковой пластины. Несмотря На то что теория контакта между металлом и полупроводником существует около 50 лет , реализовать данный тип диодов удалось Лишь в начале 70-х годов. На пути реализации такого, казалось бы, простого прибора стояли следующие трудности: во-первых, нужно было осуществить органический контакт металл - полупроводник

* Диоды названы по имени одного из ранних исследователей таких ксн- *ктов немецкого физика Шоттки.

без каких бы то ни было промежуточных слоев (прижимный контакт не обеспечивал этого условия); во-вторых, и это главное, нужно было добиться малого сопротивления полупроводниковой пластины, не жертвуя при этом ее удельным сопротивлением (в противном случае резко уменьшилось бы пробивное напряжение, см. § 2-7). Указанные трудности были преодолены путем использования современных технологических методов - вакуумного напыления металлических контактов иэпитаксиального наращивания тонкого высокоомного слоя полупроводника на низкоом-ной подложке (см. § 4-13).

Основным преимуществом диодов Шоттки по сравнению с диодами с р-п переходом является тот факт, что у них отсутствует инжекция неосновных носителей при прямом смещении, а значит, и явления накопления и рассасывания этих носителей. Соответственно инерционность диодов Шоттки обусловлена только барьерной емкостью контакта и может быть сделана весьма малой путем уменьшения размеров структуры. Типичный диапазон рабочих частот составляет 3-15 ГГц, а времена переключения доходят до 0,1 не и менее.

Еще одним преимуществом диодов Шоттки является то, что вольт-амперная характеристика (2-33) сохраняется для них в гораздо более широком диапазоне токов, чем для обычного р-п перехода, поскольку отсутствует модуляция сопротивления базы неосновными носителями. Например, логарифмическая зависимость и (/) может выполняться з диапазоне токов от 10 до 10~* А, т. е.-на .протяжении восьми декад, что недостижимо в случае р-п переходов. Следовательно, диоды Шоттки могут, по-видимому, использоваться и в качестве логарифмирующих элементов.

Обратный ток диодов Шоттки выражается формулой

h = \qn,VTS,

где hg - граничная концентрация носителей з равновесном состоянии; Vt - средняя тепловая скорость носителей (1-27). Обратные токи могут составлять всего несколько пикоампер. Обратные напряжения лежат в пределах от 10 до 500 В.

Значения прямых токов зависят, конечно, от площади структуры и качества теплоотвода. В настоящее время разработаны диоды Шоттки на прямые токи порядка 50 А. При этом прямое падение напряжения составляет всего 0,5 В, т. е. примерно вдвое меньше, чем у обычных кремниевых диодов.

Основным полупроводником, используемым в диодах Шоттки, является кремний. В качестве металлов используются молибден, нихром, золото, платина (точнее, сплав платины с кремнием - силицид платины), а также алюминий - основной металл для омических контактов в интегральных схемах. Концентрация примеси в высокоомном эпитаксиальном слое, как правило, не превышает 10 см , а толщина этого слоя обычно составляет несколько микрон.