Диоды сверхвысокочастотные: Генераторные диоды (диоды Ганна, Лавинно-пролетные диоды)

 

Для генерации сигналов в диапазоне СВЧ могут использоваться полупроводниковые диоды различного типа. Физические эффекты, лежащие в основе работы генераторных диодов, были открыты относительно недавно (50-е…60-е годы XX века) и в настоящее время продолжают активно исследоваться с целью разработки более совершенных приборов. Тем не менее, в основе работы всех генераторных диодов лежит один основной критерий — достижение, при определенных внешних условиях и параметрах сигнала, отрицательного дифференциального сопротивления диода на рабочей частоте. Следует отметить, что некоторые из генераторных диодов при включении в определенных режимах могут использоваться и для усиления СВЧ сигналов. Существует два основных типа генераторных диодов — лавинно-пролетные диоды и диоды Ганна.

Отрицательную дифференциальную проводимость (или обратную ей величину — отрицательное дифференциальное сопротивление), обусловленную \(N\)- и \(S\)-образным видом вольт-амперной характеристики электронного прибора, называют

статической дифференциальной отрицательной проводимостью (сопротивлением). Однако в ряде случаев приходится сталкиваться с ситуацией, когда электронный прибор обладает статической вольт-амперной характеристикой, у которой дифференциальная проводимость повсюду положительна, но для переменных составляющих напряжения определенной частоты она может стать отрицательной. Такая отрицательная проводимость, проявляющаяся лишь для переменных составляющих тока и напряжения, притом в определенном интервале частот, называется динамической отрицательной проводимостью

.

Для арсенида галлия (GaAs), фосфида индия (InP) и некоторых других полупроводниковых материалов характерна зависимость средней дрейфовой скорости электронов от напряженности приложенного электрического поля. Особенность этой зависимости — наличие участка отрицательной крутизны. Эффект генерации колебаний СВЧ, обусловленный статической отрицательной проводимостью полупроводника со сложным (многодолинным) строением зоны проводимости, получил название эффекта Ганна. В основе эффекта Ганна лежит так называемый междолинный электронный переход

.

 

Диод Ганна

Диод Ганна — это устройство из полупроводникового материала, имеющего сложную структуру зоны проводимости (обычно это арсенид галлия электронной электропроводности), с двумя омическими контактами на противоположных гранях, работающее на основе эффекта Ганна (рис. 2.8‑6). Активная часть диода Ганна обычно имеет длину порядка \(l\) = 1…100 мкм и концентрацию легирующих донорных примесей \(n\) = 10¹⁴…10¹⁶ см^-3. Слои полупроводника с повышенной концентрацией примесей служат для создания омических контактов. Типичные значения диаметра кристалла \(d\) = 50…250 мкм. Таким образом, диод Ганна — это полупроводниковый прибор с двумя электродами, не содержащий \(p\)-\(n\)-переходов, т.е. все его свойства полностью определяются собственными свойствами применяемого полупроводникового материала, а не эффектами, возникающими в местах соединения различных полупроводников.

 

Рис. 2.8-6. Структура диода Ганна

 

Как было указано выше, в основе работы диода Ганна лежит сложное строение зоны проводимости полупроводника. Эта зона имеет несколько расположенных достаточно близко друг к другу областей или долин (рис. 2.8‑7). Электроны, поподающие в ту или иную долину зоны проводимости, хотя и равноправны с точки зрения участия в процессе прохождения тока через полупроводник, однако, обладают некоторыми отличиями, влияющими на характер проводимости.

 

Рис. 2.8-7. Зонная структура арсенида галлия (GaAs)

 

При малой напряженности электрического поля большинство электронов проводимости концентрируется в центральной долине зоны проводимости. С увеличением напряженности поля их дрейфовая скорость быстро растет. Темп роста дрейфовой скорости определяется подвижностью электронов.

*\)) и, следовательно, их подвижность меньше подвижности электронов центральной долины (\(\mu_2 < \mu_1\)). Т.е. в результате перехода большого количества электронов в боковые долины уменьшается их средняя подвижность, а следовательно и средняя дрейфовая скорость. График зависимости средней дрейфовой скорости от напряженности электрического поля в полупроводнике представлен на рис. 2.8‑8.

 

Рис. 2.8-8. Зависимость средней дрейфовой скорости электронов от напряженности электрического поля в GaAs

 

Как видно из графика, вблизи значения пороговой напряженности поля происходит переход от прямой, соответствующей подвижности “быстрых” электронов центральной долины (\(\mu_1\)), к прямой, соответствующей подвижности “медленных” электронов боковых долин (\(\mu_2\)). Этот переход осуществляется на участке AB, где зависимость \(\nu \left( E \right)\) обладает отрицательной производной. Это возможно только тогда, когда переход электронов из одной долины в другую будет достаточно резким.

Поскольку ток пропорционален скорости частиц, а напряжение, прикладываемое к полупроводнику, пропорционально электрическому полю, то такой же \(N\)-образный вид будет иметь и статическая вольт-амперная характеристика прибора (рис. 2.8‑9), некоторые незначительные отличия объясняются неустойчивостью распределения электрического поля в диоде Ганна.

 

Рис. 2.8-9. Статическая вольт-амперная характеристика диода Ганна

 

Наличие падающего участка на ВАХ полупроводникового прибора является необходимым, но не достаточным условием для возникновения в нем СВЧ колебаний (эффект Ганна). Появление таких колебаний означает, что в пространстве кристалла полупроводника возникает неустойчивость волновых возмущений. Но условия для такой неустойчивости во многом зависят от параметров полупроводника (концентрации носителей, профиля легирования, размеров и т.д.).

В общем случае, основным условием возникновения неустойчивости является выполнение т. н. правила Кремера, которое заключается в том, что произведение концентрации носителей зарядов на длину активной части полупроводника должно превышать некоторое пороговое значение (\(N \cdot l > {const}_{пор}\)). При этом в области отрицательной дифференциальной проводимости равномерное распределение поля в объеме полупроводника неустойчиво. За весьма малое время оно становится неравномерным — вдоль оси действия поля возникают области с повышенной напряженностью. Поскольку в области сильного электрического поля скорость электронов уменьшается, то со стороны катода к области сильного поля начнет примыкать отрицательный объемный заряд (

слой накопления), обусловленный догоняющими эту область “быстрыми” электронами с высокой подвижностью, а с другой стороны области сильного поля образуется положительный заряд ионов, возникающий на месте обгоняющих область сильного поля “быстрых” электронов (слой обеднения). Области отрицательного и положительного зарядов образуют дипольный слой, называемый доменом сильного поля или просто доменом (рис. 2.8‑10).

 

Рис. 2.8-10. Домен сильного поля в диоде Ганна

 

В зависимости от ряда факторов развитие неустойчивости в области отрицательного дифференциальной проводимости приводит либо к установлению постоянного во времени пространственно неоднородного распределения электрического поля, характеризующегося наличием статического домена, либо к периодическим пульсациям поля в пространстве и во времени, связанным с возникновением и исчезновением движущихся доменов, что сопровождается периодическим изменением тока во внешней цепи.

Начало домену дает случайное повышение концентрации электронов в окрестности некоторой точки. Учитывая специфику изготовления и профиль легирования конкретных диодов Ганна (рис. 2.8‑11), критическая напряженность поля будет возникать вблизи контактов, где имеются различные дефекты кристаллической решетки.

Таким образом, домен обычно формируется у катода и движется к аноду со скоростью, равной дрейфовой скорости электронов (для арсенида галлия ~10⁵ м/с). Достигнув анода, домен втягивается в него. Значительная часть напряжения, приложенного к образцу, падает на домене; вне домена напряженность поля намного меньше пороговой, и флуктуации заряда развиваться не могут, т.е. как правило в объеме полупроводника возникает только один домен сильного поля. В то время, как один домен исчезает на аноде, на катоде зарождается новый домен, и в цепи нагрузки генерируются короткие импульсы. Расстояние между импульсами равно времени пролета домена через рабочую область диода.

 

Рис. 2.8-11. Профиль легирования диода Ганна (пример)

 

В зависимости от параметров кристалла, свойств нагрузки, температуры и питающего напряжения, генератор на диоде Ганна может работать в одном из нескольких существенно отличающихся режимов:

• доменные режимы:
  • пролетный,
  • с задержкой образования доменов,
  • с гашением доменов;
• гибридные режимы;
• режим ограниченного накопления объемного заряда;
• режим отрицательной проводимости.

Наиболее изученными и используемыми являются доменные режимы работы генератора на диоде Ганна. Для этих режимов характерно существование сформировавшегося дипольного домена в течение значительной части периода колебаний. Изменяя сопротивление нагрузки, можно получить три различных доменных режима: пролетный, с задержкой домена, с гашением домена.

Пролетный режим имеет место при малом значении сопротивления нагрузки (\(R_н \approx R_д\)), когда амплитуда колебаний напряжения на диоде мала и не оказывает заметного влияния на процессы образования и движения доменов. Распределение электрического поля в различные моменты времени, а также формы напряжения и тока диода, характерные для пролетного режима изображены на рис. 2.8-12, 2.8-13.

 

Рис. 2.8-12. Распределение электрического поля по длине диода Ганна в различные моменты времени при работе в пролетном режиме

 

Рис. 2.8-13. Зависимость напряжения и тока диода Ганна от времени в пролетном режиме

 

Как видно из рис. 2.8-13, мгновенное напряжение в пролетном режиме всегда больше порогового значения \(U_{пор}\). Это одно из главных условий существования пролетного режима.

Частота генерируемых в пролетном режиме колебаний (пролетная частота) определяется в основном толщиной активной области кристалла (временем пролета доменов от катода к аноду): \(f_{пр} = 1/t_{пр}\). Она практически не зависит от параметров внешней цепи, которая только выделяет первую гармонику из спектра колебаний тока диода. С повышением питающего напряжения \(f_{пр}\) несколько падает из-за уменьшения скорости движения доменов.

Коэффициент полезного действия генератора на диоде Ганна в пролетном режиме очень не высок (~5%). Поэтому на практике этот режим используется редко — предпочтение отдается другим более эффективным режимам.

Режим с задержкой образования доменов реализуется, когда диод Ганна нагружен на параллельный резонансный контур, входное сопротивление (\(R_н\)) которого достаточно велико. Главная особенность этого режима состоит в том, что часть периода колебаний напряжение на диоде падает ниже порогового значения \(U_{пор}\). При этом, в отличие от пролетного режима, появляется возможность эффективно управлять частотой колебаний, изменяя параметры внешней цепи. На рис. 2.8-14 приведено распределение электрического поля в различные моменты времени, а на рис. 2.8-15 формы напряжения и тока диода, характерные для режима с задержкой образования доменов.

 

Рис. 2.8-14. Распределение электрического поля по длине диода Ганна в различные моменты времени при работе в режиме с задержкой образования доменов

 

Рис. 2.8-15. Зависимости напряжения и тока диода Ганна от времени в режиме с задержкой образования доменов

 

Специфической особенностью данного режима является то, что домен достигает анода в такой момент времени, когда напряженность электрического поля в полупроводнике оказывается ниже порогового значения, т. е. образование нового домена на катоде невозможно. Новый домен образуется только после того, как мгновенное значение напряжения на диоде превысит пороговое.

Существенно, что задержка образования доменов зависит от параметров внешней цепи генератора, изменяя которые можно изменять период колебаний в диоде. Возможная частота генерации в режиме с задержкой образования доменов ниже пролетной частоты диода и лежит в пределах от \(f_{пр}/2\) до \(f_{пр}\). Максимальнй КПД в этом режиме равен приблизительно 7% и достигается при \(f \approx 0,8 \cdot f_{пр}\), \(R_н \approx 10 \cdot R_д\). При чрезмерном уменьшении \(R_н\) режим с задержкой образования доменов вырождается в пролетный режим, а при увеличении \(R_н\) — в режим с гашением доменов.

Режим с гашением доменов имеет место, когда в процессе движения домена к аноду мгновенное значение напряжения на диоде Ганна становится меньше некоторого граничного значения (напряжения гашения доменов, \(U_{гаш} < U_{пор}\)). В этом случае домен быстро рассасывается и рабочая точка переходит на восходящую ветвь ВАХ. Импульсы тока в данном режиме имеют очень сильное отклонение от гармонического вида, что уменьшает мощность 1-й гармоники. Поэтому максимальный КПД в режиме с гашением домена оказывается приблизительно в 2,5 раза меньше, чем в режиме с задержкой домена, а оптимальное сопротивление нагрузки приблизительно в 4 раза больше. Частота колебаний в режиме с гашением домена может быть как больше, так и меньше пролетной и поддается перестройке внешним контуром. Практика работы с генераторами на диодах Ганна показывает, что рабочая частота в этом режиме может лежать в пределах от \(0,6 \cdot f_{пр}\) до \((1,5…2) \cdot f_{пр}\).

Доменные режимы реализуемы, как правило, только на достаточно низких частотах (\(f \approx\) 1…5 ГГц). При повышении частоты в диоде начинают сказываться некоторые не упоминавшиеся выше физические процессы. В частности, время формирования домена для арсенида галлия при типовом уровне легирования составляет порядка 0,5\(\cdot\)10^-10 с. Поскольку уже при частоте порядка 10 ГГц это время превышает половину периода колебаний, в генераторах на диодах Ганна сантиметровых и миллиметровых волн используются другие режимы.

Режим ограниченного накопления объемного заряда (ОНОЗ) основан на предотвращении формирования домена путем использования инерционности данного процесса. Здесь, как и в двух предыдущих режимах, диод Ганна нагружается на параллельный контур, у которого \(R_н \gg R_д\). Рабочая частота, напряжение питания и амплитуда колебаний выбираются настолько большими, чтобы напряжение на диоде Ганна перескакивало через всю область отрицательной дифференциальной проводимости за время, малое по сравнению со временем формирования домена. В результате поле внутри диода равномерно распределяется вдоль длины его активной части, а динамическая вольт-амперная характеристика диода полностью совпадает по форме с зависимостью скорости дрейфа от напряженности поля.

Для реализации режима ОНОЗ требуются специальные диоды Ганна со строго однородным профилем легирования (иначе ускоряется формирование домена). Частота генерации в таком режиме полностью определяется настройкой колебательной системы и никак не связана с пролетной частотой диода. Это позволяет увеличивать толщину активной области диода Ганна, сохраняя требуемое значение полного сопротивления диода при повышении частоты или увеличении площади поперечного сечения кристалла. В итоге импульсная мощность, которую может отдавать диод Ганна в режиме ОНОЗ, оказывается на 2-3 порядка больше мощности любых других твердотельных источников колебаний. Максимальный КПД в этом режиме приближается к 15…17% и достигается при \(R_н \approx {(20…30)} \cdot R_д\).

Гибридными режимами называют все режимы промежуточные между ОНОЗ и чисто доменными. От режима ОНОЗ гибридные режимы отличает существование в течение части периода колебания достаточно большого неравновесного пространственного заряда, обычно имеющего вид одного или нескольких дипольных доменов. Однако время формирования пространственного заряда здесь все таки достаточно велико по сравнению с периодом колебаний, и он начинает оказывать существенное влияние на протекающий через прибор ток только тогда, когда мгновенное напряжение на нем, превысив пороговое значение, пройдет основную часть падающего участка ВАХ. В гибридных режимах достигается КПД порядка 15%.

Режим отрицательной проводимости имеет очень важное значение. Отличительная особенность этого режима — наличие статического домена сильного поля, определяющего свойства диода. В зависимости от того, выполняется ли для применяемого кристалла полупроводника описанное выше условие существования движущихся доменов (произведение концентрации носителей зарядов на длину активной части полупроводника должно превышать некоторое пороговое значение) различают два случая режима отрицательной проводимости.

Первый случай имеет место для кристаллов, где существование движущихся доменов невозможно. При включении во внешнюю цепь такой диод Ганна образует отрицательную проводимость на пролетной частоте и ее гармониках. Однако на практике он используется крайне редко.

Больший интерес представляет второй случай. Он соответствует так называемому “сверхкритическому” легированию, когда условие существования движущихся доменов выполняется. Диод Ганна, переведенный в такой режим, проявляет отрицательную проводимость в достаточно широком диапазоне частот. Это позволяет использовать его для построения широкополосных регенеративных усилителей с полосой пропускания порядка октавы, которые при достаточно большом возбуждении отдают в нагрузку такую же мощность, как и в автоколебательном режиме. Коэффициент усиления при малом сигнале может достигать 10…20 дБ, а коэффициент шума — порядка 10 дБ.

Происхождение отрицательной проводимости диода обусловливается инерционностью статического домена. При изменении мгновенного напряжения на кристалле домен перестраивается не сразу. При достаточно высокой частоте внешнего сигнала запаздывание превышает четверть периода колебания и возникает противофазная компонента тока, т.е. происходит подкачка мощности этого колебания. При увеличении сопротивления нагрузки усилитель становится автогенератором.

Диоды Ганна, работающие в различных режимах, используются в диапазоне частот 1. ..100 ГГц. В непрерывном режиме реальные генераторы на диодах Ганна имеют КПД порядка 2…4% и могут обеспечить выходную мощность от единиц милливатт до единиц ватт. При переходе в импульсный режим КПД увеличивается в 2…3 раза. Максимально возможное значение выходной мощности в этом режиме составляет десятки ватт. Для увеличения КПД генераторов используются также специальные резонансные системы, которые позволяют добавить к мощности полезного выходного сигнала некоторые высшие гармоники. Такие режимы называются релаксационными.

К основным параметрам диода Ганна относятся: рабочий диапазон частот, минимальная непрерывная выходная мощность генерируемого сигнала в рабочем диапазоне частот, рабочий ток диода, сопротивление диода и др. (таб. 2.8‑1).

 

Лавинно-пролетный диод (ЛПД)

Лавинно-пролетный диод (ЛПД) предназначен для генерации СВЧ колебаний на основе эффекта динамического отрицательного дифференциального сопротивления, возникающего в результате ударной ионизации атомов полупроводника при лавинном пробое. Его работа основана на том, что в режиме лавинного пробоя в полупроводниковых диодах возникающие под влиянием переменного поля изменения потока носителей заряда через диод запаздывают на столько, что большая часть носителей движется во время действия тормозящей полуволны СВЧ поля и отдает ему часть энергии, полученной от постоянного поля. Впервые генерация наблюдалась на германиевых обратно смещенных диодах, имеющих резкий излом вольт-амперной характеристики. Далее были созданы кремниевые, арсенид-галлиевые и фосфид-индиевые лавинно-пролетные диоды.

Лавинно-пролетный диод может быть реализован в виде однопереходной \(p\)-\(n\)-структуры, представленной на рис. 2.8-16 (диод Тагера). Его особенностью является достаточно широкий и плавный переход между \(p\)- и \(n\)-областями. Работа диода происходит в области обратных смещений.

 

Рис. 2.8-16. Структура лавинно-пролетного диода и распределение электрического поля в нем

 

Как видно из рис. 2.8-16, где представлено распределение электрического поля в диоде при обратном смещении, электрическое поле в приконтактной области достигает максимума. По мере увеличения обратного напряжения область перехода, в котором отсутствуют подвижные носители, увеличивается. Напряженность электрического поля в нем возрастает. Электрон (или дырка), ускоренные электрическим полем на длине свободного пробега в области \(p\)‑\(n\)‑перехода, при соударении с атомом могут разорвать одну из валентных связей этого атома. В результате рождается новая пара электрон-дырка и процесс повторяется под действием теперь уже этих носителей и т.д. Суммарный ток через переход оказывается большим, чем в отсутствие ионизации. Когда поле в приконтактной области достигает некоторой критической величины, начинается интенсивный процесс ударной ионизации кристалла подвижными носителями заряда, приводящий к лавинному умножению числа носителей и образованию новых электронно-дырочных пар. Ток в цепи диода будет ограничиваться лишь внешним сопротивлением.

Ударная ионизация резко возрастает с ростом напряженности электрического поля. Поэтому область, где происходит рождение носителей заряда, ограничена более или менее узким слоем — слоем умножения, расположенным в приконтактной области, где поле максимально. Образованные в слое умножения носители дрейфуют под воздействием сильного электрического поля к границе нейтрального полупроводника: дырки — через \(p\)-слой, электроны — через \(n\)-слой. Так как напряженность электрического поля в большей части перехода весьма велика, то скорость дрейфа носителей заряда практически постоянна, не зависит от поля и равна скорости насыщения. Таким образом, обратно смещенный \(p\)-\(n\)-переход при напряжении близком к пробивному представляет собой промежуток, в котором роль катода играет слой умножения, а роль пролетного пространства — остальная часть перехода. Эмиссия катода носит ярко выраженный полевой характер, так как ток, выходящий из слоя умножения, возрастает или убывает в зависимости от напряженности электрического поля в самом слое.

Лавинная природа тока эмиссии обусловливает его инерционность. Для развития лавины требуется определенное время, так что мгновенное значение электрического поля определяет не величину лавинного тока, а скорость его изменения. Поэтому изменение тока эмиссии не следует мгновенно за изменением электрического поля, а отстает от него на некоторое время. Под действием переменного напряжения в узком слое перехода (слое умножения) будут формироваться сгустки электронов. Но для этого необходимо, чтобы частота переменного напряжения допускала формирование сгустка в период ускоряющей фазы напряжения. Тогда в последующий полупериод изменения напряжения (замедляющее электрическое поле) такие сгустки будут отдавать свою энергию переменному полю. Отсутствие модуляции скорости носителей в этом случае лишь улучшает высокочастотные свойства диода. В пространстве дрейфа сгустки электронов движутся в тормозящей фазе поля со скоростью насыщения и создают наведенный ток в цепи диода, отстающий от приложенного напряжения на угол, примерно равный \(3 \pi/2\).+\)-область, а пакеты электронов дрейфуют со скоростью насыщения через дрейфовое пространство (\(i\)-область).

 

Рис. 2.8-17. Основные структуры, используемые в лавинно-пролетных диодах, и распределение полей в них

 

Диод Тагера имеет также сравнительно узкую область лавинного умножения. Электроны опять в виде пакетов попадают в пространство дрейфа (\(n\)-область), отдавая полю СВЧ свою энергию, а дырки поглощаются \(p\)-областью (в \(p\)-\(n\)-переходе диода Тагера обычно \(p\)-область значительно уже \(n\)-области).

Диод Мисавы аппроксимируется структурой, в которой поле близко к однородному. Слой умножения в диоде сравнительно широкий. Дырки и электроны, которые генерируются в одинаковых количествах, дрейфуют в виде пакетов через свои полупространства дрейфа (наведенные ими токи при этом направлены в одну и ту же сторону) — дырки в \(p\)-область, электроны в \(n\)-область.

На рис. 2.8-18 представлены качественные зависимости величины динамического отрицательного дифференциального сопротивления от тока для диодов трех типов. В диоде Рида сопротивление достигает максимума при сравнительно малых плотностях тока, затем оно быстро падает. У диода Тагера максимум сопротивления сдвигается в сторону больших токов. Еще большие плотности тока необходимы для его оптимума в диоде Мисавы. Частотная зависимость отрицательного дифференциального сопротивления при фиксированном токе также представлена на рис. 2.8‑18. Для диода Рида оптимальное отрицательное сопротивление реализуется вблизи пролетной частоты. В диоде Тагера оптимальные фазовые условия на этой частоте не реализуются, поэтому максимум сопротивления в этой структуре ниже и по частоте расплывается. Диод Мисавы имеет небольшое и практически постоянное сопротивление в широкой области частот.

Лавинно-пролетные диоды различных конструкций работают в нескольких основных режимах работы, зависящих как от добротности резонатора, так и от многих других факторов.

 

Рис. 2.8-18. Токовая и частотная зависимости динамического отрицательного дифференциального сопротивления для лавинно-пролетных диодов различного вида

 

Стандартным считается так называемый режим Impatt (impact avalanche, transit time) или пролетный режим. Он отражает основные физические явления, протекающие в ЛПД при не слишком высоких амплитудах полей СВЧ (резонаторы средней добротности). Обычно, максимальный КПД прибора примерно равный 25% достигается на частоте, удовлетворяющей соотношению \(\omega \tau \sim \pi\) (пролетная частота), где \(\tau\) — время пролета электронной лавины. Электронно-дырочные пары генерируются в этом режиме в слое лавинного умножения. Генерируемые дырки уходят в \(p\)-область, а электроны участвуют в энергообмене с полем. Такая ситуация наблюдается в диодах Рида и Тагера (с несимметричным \(p\)-\(n\)-переходом). В диоде Мисавы пролетное пространство является также слоем лавинного умножения, поэтому анализ Impatt-режима для диода Мисавы значительно сложнее, чем для диодов Рида и Тагера, где четко можно выделить виртуальный катод (слой умножения) и область дрейфа. В Impatt-режиме ток инжекции в пространстве дрейфа достигает максимума к моменту, когда напряжение, приложенное к диоду, проходит через нуль. Дальнейшее отставание по фазе конвекционного тока носителей обусловливается конечным временем их движения в пространстве дрейфа, так что в целом наведенный ток в цепи диода оказывается противофазным к приложенному напряжению.

Второй тип колебательного режима лавинно-пролетного диода — режим Trapatt (trapped plasma, avalanche triggered time) или аномальный режим. Этот режим считается аномальным, поскольку рабочая частота в нем намного ниже пролетной. Trapatt-режим отличается относительно высоким значением КПД и возникает в условиях значительных напряжений СВЧ на диоде (высокодобротные резонансные системы, в которые помещается \(p\)-\(n\)-переход). Установление такого режима сопровождается значительными изменениями постоянных составляющих напряжения и тока на диоде. Trapatt-режим возникает в условиях большого смещения на диоде с резко неоднородным распределением электрического поля. В этом режиме ток инжекции также отстает по фазе от напряжения, приложенного к диоду. Возникающие при этом носители заполняют все пространство дрейфа, так что диод к моменту наступления отрицательного полупериода напряжения оказывается заполненным электронно-дырочной плазмой высокой концентрации. Проводимость диода резко возрастает и через него в течение отрицательного полупериода “проталкивается” импульс тока большой величины. Этим и обусловливается высокая отрицательная динамическая проводимость ЛПД в Trapatt-режиме. Когда диод обладает такой повышенной проводимостью, напряжение на нем невелико и носители движутся не со скоростью насыщения, а значительно медленнее. Поэтому рассасывание носителей из объема диода происходит медленно и оканчивается к моменту перехода напряжения к положительному полупериоду. При этом генерация диода происходит на более низкой частоте.

Лавинно-пролетные диоды по частоте спосбны перекрывать весь диапазон СВЧ (от 0,5 до 500 ГГц). Существенное повышение коэффициента полезного действия ЛПД до 20…30% в сантиметровом и 60…70% в дециметровом диапазонах привело к тому, что они смогли заменить лампы обратной волны и клистроны малой и средней мощности. При помощи ЛПД могут генерироваться колебания мощностью до 12 Вт от одного прибора в сантиметровом диапазоне и порядка 0,1…1 Вт в миллиметровом. В аномальном режиме от ЛПД могут быть получены еще большие мощности (до сотен ватт в импульсном режиме). Недостатком ЛПД является относительно высокий уровень фазовых шумов. Помимо генерации сигналов СВЧ лавинно-пролетные диоды могут использоваться для их усиления, в схемах умножения и преобразования частоты и т.д.

Параметры лавинно-пролетных диодов, указываемые в справочниках, практически ни чем не отличаются от параметров генераторных диодов на эффекте Ганна. Это диапазон рабочих частот, минимальная выходная мощность в рабочем диапазоне, постоянные рабочие ток и напряжение и т.п. (таб. 2.8‑1).

 

 

< Предыдущая		Следующая >

Анализ структуры типа силового диода Шоттки

С нынешней волной электронных продуктов жизни людей были тесно связаны с электронными продуктами. Как все мы знаем, при производстве электронных изделий используется незаменимый материал, то есть диоды Шоттки. Зачем использовать диоды Шоттки? Итак, в чем же заключается магия диодов Шоттки?

  

МощностьДиоды шотткиВключая обычные силовые диоды Шоттки (PowerSchottkyBarrierDiode, SBD), диоды Шоттки, управляемые шунтированием (JunctionBarrierControlledShottky, JBS), и композитные диоды Шоттки и штырьковые, такие как штырьковая и параллельная структура Шоттки (MergedPinandSchottky) , MPS) диоды, композитные диоды Шентки-оксида-траншеи (TrenchOxidepin Schottky, TOPS) и мягкие диоды быстрого восстановления (SoftandFastDiode, SFD) и т.д. Составной диод.

1. Тип конструкции

Эффект выпрямления диода Шоттки реализуется контактным барьером, образованным между металлом и полупроводниковым кремнием. Поскольку высота барьера Шоттки ниже, чем у pn-перехода, его прямое напряжение уменьшается при небольшом токе, напряжение пробоя низкое, а ток обратной утечки большой. Силовые диоды Шоттки предназначены для улучшения их энергетических характеристик и имеют следующие три типа структур.

(1) Структура обычного силового барьерного диода Шоттки (SBD) показана на рисунке 1а. Это н-дрейфовая область с низкой концентрацией легирования, добавленная к диоду Шоттки, который состоит из перехода Шоттки и n- Зона дрейфа и н + катодная зона. Структура диода Шоттки, управляемого барьером перехода, показана на рисунке 1b. Перед формированием перехода Шоттки в области n-дрейфа формируется p-область посредством ионной имплантации или диффузии, так что p-область и область Шоттки Узел образует сетчатую плоскую структуру. Таким образом, структура выводов формируется из области p, области n-дрейфа и подложки n +, поэтому диод JBS эквивалентен параллельному соединению силового барьерного диода Шоттки и pin-диода. При обратном напряжении смещения область пространственного заряда pn-перехода расширяется, и J-FET экранирует переход Шоттки, так что на него не влияет приложенное напряжение.

          

(2) Шотки-штырьковая композитная диодная структура для увеличения мощностиДиоды шотткиВыдерживают напряжение, уменьшают прямое падение напряжения и увеличивают мягкость обратного восстановления. На основе структуры диода JBS разработана структура составного диода Шоттки с штырьками, показанная на рисунке 2.

Как показано на рисунке 2а, структура MPS-диода очень похожа на структуру диода JBS. Его обратный пробой такой же, как у диода JBS, за исключением того, что при низкой плотности тока штыревой диод не проводит, но при более высокой плотности тока р-область впрыскивает отверстия в область n-дрейфа, что создает эффект модуляции проводимости. Следовательно, прямое падение напряжения может быть уменьшено, и большой ток может протекать через контакт металл-полупроводник.

Как показано на рисунке 2b, диодная структура TOPS должна сначала селективно травить глубокий желоб на эпитаксиальном слое n, затем формировать p-область в нижней части желоба путем ионной имплантации и, наконец, последовательно заполнять желоб диоксидом кремния и поликремнием. По сравнению с диодной структурой MPS эта структура может дополнительно уменьшить концентрацию дырок вблизи анодной стороны. В настоящее время напряжение обратного пробоя диода, изготовленного с диодной структурой TOPS, достигло 1,2 кВ, что может использоваться в качестве диода свободного хода IGBT, что значительно снижает потребляемую мощность при включении IGBT и подавляет шум переключения.

      

Как показано на рисунке 2c, структура SFD использует Al-Si вместо Al электрода, чтобы сформировать очень тонкую p-область на поверхности n-дрейфовой области между p областями, чтобы контролировать эффективность имплантации неглубоких pn-переходов и защищать Шоттки. Морской узел. Высота барьера контакта A1-Si / Si, сформированного после отжига 500-550, составляет 0,89 ～ 0,79 эВ, что аналогично таковому Pt / Si и выше, чем у чистого А1, благодаря чему достигается высокое выдерживаемое напряжение и низкое Ток утечки, и получить более быстрые и более мягкие характеристики обратного восстановления, чем обычные штыревые диоды. В настоящее время принятие структур SFD и ультрамягкого быстрого восстановления (U-SFD) позволило обратному напряжению диода достичь 4 кВ и 6,5 кВ соответственно.

(3) Диодная структура супер-перехода Шоттки (SJ-SBD) показана на рисунке 3а. Диодная структура SJ-SBD использует самосовмещающийся процесс для формирования силицидного Шоттки на слаболегированной области p или n. Соединение, образующее омический контакт в сильно легированной области p + или n +. Поскольку суперпереход может улучшить возможность обратного пробоя диода, Шоттки может уменьшить падение прямого напряжения. Следовательно, с помощью структуры SJ-SBD можно добиться высокого напряжения пробоя и низкого тока утечки, а также улучшить емкость тока, преодолеть недостатки питания диодов Шоттки. На рисунке 3b показана структура диода Шоттки с полупереходом, в которой добавлены n-буферный слой и p-буферный слой, что может дополнительно усилить эффект экранирования электрического поля JBS, уменьшить ток утечки и улучшить характеристики обратного восстановления.

        

2. Производственный процесс

мощностьДиоды шотткиКлюч к производству — формирование соединения Шоттки. Он может быть сформирован путем испарения или распыления соответствующего металла или силицида на слегка легированном эпитаксиальном слое кремния n-типа, а затем после надлежащего отжига. Силицид обладает очень стабильной работой выхода WF, поэтому сформированный диод Шоттки обладает лучшей стабильностью и повторяемостью. Силовые диоды Шоттки также могут быть изготовлены из кремния р-типа, но они используются редко из-за очень низкого напряжения прямого смещения и большого тока утечки.

Существует много видов металлов для создания соединений Шоттки, таких как никель (Ni), хром (Cr), платина (Pt), палладий (Pd), вольфрам (W) или молибден (Mo). Для снижения энергопотребления можно использовать металлы с низкой высотой барьера. Когда температура окружающей среды высокая, для подавления тока утечки требуется металл с высоким барьером. Высота барьера Шоттки Ubi зависит от работы выхода металла. Таблица 1 показывает работу металла и высоту барьера Шоттки, сформированного на поверхности кремния n-типа. Можно видеть, что высота барьера Ubi увеличивается с увеличением работы выхода металла. Когда температура отжига увеличивается, поверхность раздела металл-кремний реагирует с образованием силицида металла. В таблице 2 показана высота барьера Шоттки, образованного кремнием и силицидом n-типа. Можно видеть, что высота барьера, образованного Mosi2, является самой низкой, а высота барьера, образованного PtSi2, является самой высокой, поэтому мощность работы в условиях высокой температурыДиоды шотткиМожет быть сделано с PtSi2.

   

Ученые изобрели туннельный диод из органического полимера

Интеграция Инфраструктура 15 Ноября 2005 15:1115 Ноя 2005 15:11 | Поделиться Ученые из государственного университета Огайо (Ohio State University) изобрели новый туннельный диод из органического полимера, который может способствовать в будущем созданию гибкого, менее энергоемкого модуля памяти для компьютера и пластиковых логических схем для компьютерных чипов.

Сегодня в компьютерных чипах в основном используется неорганический кремний. Диод пропускает электрический ток при комнатной температуре. По словам профессора Пола Бергера (Paul Berger) и университета Огайо, структура диода способствует более простому и недорогому производству смарт-карт и других устройств памяти.

В экспериментах ученым удалось создать логический коммутатор на базе двух диодов, питаемый от обычной батареи для часов.

Запатентованное изобретение описано учеными в текущем выпуске научного журнала Applied Physics Letters.

Большинство пластических веществ не проводят электрический ток. Однако это не остановило ученых в попытке создать пластиковый компьютерный чип, который можно было бы использовать в легких, гибких электронных устройствах. Ранее некоторым исследователям с большим трудом удавалось проводить ток через пластик при низких температурах путем манипулирования его отдельными молекулами. Подобные эксперименты также довольно сложны для воспроизведения.

Ученые под руководством Бергера иначе подошли к решению проблемы. Вместо работы с отдельными молекулами ученые нанесли тонкий слой пластика поверх обычного материала для изготовления чипов, со специально разработанным слоем оксида титана между ними.

Идею для данного эксперимента подал студент-физик из Огайо Сита Азар (Sita Asar), разрабатывавший пластиковый солнечный элемент в лаборатории Бергера, который преобразовывал солнечную энергию в электрическую.

При анализе результатов одного из экспериментов Азара, Бергер заметил нечто необычное — крошечный всплеск на гладкой линии графика, отображавшего величину электрического тока, проходившего сквозь материал. При низких напряжениях ток подскакивал, а затем принимал обычную величину.

При более тщательном рассмотрении эффекта, он заметил, что в пластике возникал эффект отрицательного дифференциального сопротивления (negative differential resistance), при котором ток снижается при определенных увеличениях напряжения, что напоминало эффект, возникающий в полупроводниковых устройствах, называемых туннельный диод.

Диоды проводят ток в одном направлении и обычно используются в качестве усилителей для таких устройств как стереоколонки. Туннельные диоды получили такое название благодаря пропусканию тока с помощью эффекта, известного как туннелирование, который позволяет электронам беспрепятственно проходить через барьеры.

Позднее Бергер работал со студентами-выпускниками Ву-Джун Юном (Woo-Jun Yoon) и Сунг-Йонг Чунгом (Sung-Yong Chung) над усовершенствованием структуры полимерного туннельного диода, который выдавал всплеск, аналогичный получаемому при работе с солнечным элементом, однако более помехоустойчивый и стабильный. Также они провели исследования по изучению физического механизма, создававшего данный эффект.

Лицевая биометрия: от хайпа к реальности

Внедрения

До сих пор группа ученых пытается выяснить до конца, каким образом им удалось достичь данных эффектов в пластике без манипулирования отдельными молекулами.

По словам Бергера, ключевую роль играет титан, поскольку при замене титана в экспериментах на какой-либо другой элемент эффект пропадал.

Другие ученые пытались соединить полимерные туннельные диоды с оксидом титана, но безуспешно. Попытка удалась, когда Бергер решил расположить слой из чистого титана поверх чипа и затем подвергнуть его окислению, вместо нанесения оксида титана сразу, как делали другие. Бергер подозревал, что именно тщательный контроль процесса окисления способствовал повышенному функционированию диода.

Бергеру со студентами удалось соединить два пластиковых туннельных диода для формирования простого логического затвора, который записывает данные на компьютерный чип.

Затвор функционирует при питании в 1,5 вольт, что эквивалентно батарее от часов. Также затвор работает при комнатной температуре. По словам Бергера, полученные результаты дают основания полагать, что однажды его можно будет встроить в обычные компьютерные чипы для устройств, потребляющих мало энергии.

Более того, вместе со студентами профессор создал пластиковый слой с помощью процесса центробежного литья, который значительно дешевле процессов, используемых в настоящее время при производстве кремниевых чипов.

Среди положительных моментов Бергер отметил, что изобретение, возможно, приведет к тому, что электроника полностью будет изготавливаться из пластика.

Берегр предвидит появление легких, портативных электронных устройств с модулями памяти и логическими схемами на основе сплава кремния и пластика, гибких и потребляющих меньше энергии.

Что такое диоды? | Полупроводник

Что такое диоды?

p-n-переход, созданный на кремнии с помощью электродов, представляет собой диод. Диоды, использующие p-n переход, называются обычными выпрямительными диодами. Обычные выпрямительные диоды с улучшенными характеристиками переключения называются быстровосстанавливающимися диодами (FRD), которые отличаются от обычных выпрямительных диодов.
Диод, в котором вместо полупроводников p-типа используется металл, называется диодом с барьером Шоттки (SBD).

Прямое смещение

Когда напряжение подается (в прямом направлении) от A к K, течет ток.
В это время прямое напряжение V _F возникает между A и K. Потеря мощности возникает из-за V _F , и меньшее V _F является идеальным.

Обратное смещение

Даже если напряжение приложено (в обратном направлении) от K до A, ток не течет.
Однако на самом деле протекает небольшой обратный ток I _R . Потеря мощности происходит из-за I _R , идеален меньший I _R .

Планарный тип и тип Mesa

Структура диодной микросхемы

Реальный чип состоит из тонкого p-слоя и толстого n-слоя.

n– слой:
Поскольку концентрация примесей мала, обедненный слой легче растет при наличии обратного напряжения.
Эта концентрация и толщина определяют необходимое выдерживаемое напряжение.
n + слой:
Концентрация примесей высока, что облегчает прохождение тока.
Толщина пластины должна быть достаточной для сохранения прочности пластины.

При подаче обратного напряжения

На реальной микросхеме используется защитное покрытие для выдерживания напряжения, потому что конец микросхемы обнажен, и ток легче течет в области от p до n + вдоль торцевой поверхности, что снижает ее способность выдерживать напряжение.Необходимо разработать метод добавления защитной пленки перед нарезкой кубиками, поскольку добавление защитной пленки после нарезания кубиками нецелесообразно.

Существует два типа структур для добавления защитной пленки перед нарезкой стружки

Планарный тип

Нет необходимости делать канавку на плоском типе, но стружка становится больше и процесс диффузии также усложняется.

Тип Mesa

На типе мезы требуется процесс создания канавки, но стружка становится меньше, и процесс диффузии также прост.

Основные характеристики диода

Статические характеристики диода

Падение напряжения, возникающее при протекании прямого тока I _F , называется прямым напряжением V _F , и меньшее значение V _F является идеальным.
Кроме того, небольшой ток, протекающий при приложении обратного напряжения V _R , называется обратным током I _R , и идеальным вариантом является меньший ток I _R .

Динамические характеристики диода (коммутационные характеристики)

Как показано на рисунках ниже, когда состояние диода изменяется с текущего на внезапное обратное смещение, происходит большой выброс обратного тока. Этот ток называется током восстановления, а время, в течение которого протекает ток восстановления, называется временем обратного восстановления trr.

Меньший trr идеален, потому что ток восстановления вызывает шум или потерю мощности.

Типы диодов

p-n переход	Диоды выпрямительные общего назначения Диоды быстрого восстановления (FRD)
Соединение Шоттки типа	Диоды с барьером Шоттки (SBD)

Обычно все диоды представляют собой диоды с p-n переходом.
Однако диоды с p-n переходом имеют и недостатки. Чтобы компенсировать эти недостатки, были разработаны диоды с быстрым восстановлением (FRD) и диоды с барьером Шоттки (SBD).Тем не менее, для диодов с p-n переходом нет специального названия, поэтому их называют обычными выпрямительными диодами.

На основе кремния

Выбор и использование диодов в импульсных цепях питания

Что такое стабилитрон? Определение, конструкция, работа, характеристики и применение стабилитрона

Определение : Особый тип диода с PN-переходом, который работает в режиме обратного смещения, точнее в области пробоя, известен как стабилитрон.Уровень легирования стабилитрона несколько выше, чем у обычного диода с PN переходом. Чтобы он мог дать резкое напряжение пробоя.

Пробой стабилитрона

был впервые замечен и объяснен американским ученым С. Зенера . Он в основном используется для регулирования напряжения, чтобы поддерживать постоянное напряжение даже при изменении нагрузки.

Содержимое: стабилитрон

1. Символ
2. Строительство
3. Рабочий
4. VI Характеристики
5. Приложения
6. Ключевые термины

Обозначение стабилитрона

На приведенном ниже рисунке представлен символ стабилитрона:

Его символ чем-то похож на символ обычного диода.Тем не менее, небольшое изменение наблюдается в символе стабилитрона, который показан изгибами на двух концах вертикальной линии.

Конструкция стабилитрона

На рисунке ниже представлена ​​рассеянная структура стабилитрона:

Здесь N и P субстрат рассеиваются вместе. Область перехода покрыта слоем диоксида кремния (SiO ₂ ). В то же время во время строительства вся сборка металлизируется, чтобы обеспечить соединение анода и катода.Слой SiO ₂ помогает предотвратить загрязнение переходов. Таким образом, в конструкции используется стабилитрон.

Работа стабилитрона

Стабилитрон работает как обычный диод в режиме прямого смещения. Это означает, что большая часть тока протекает через устройство, когда к нему приложен прямой потенциал. Однако стабилитрон отличается от обычного диода с точки зрения концентрации легирования. Стабилитрон сильно легирован, поэтому его обедненная ширина очень мала.Из-за этого через стабилитрон протекает больше тока, чем через диод с обычным переходом.

Он специально действует в области пробоя в условиях обратного смещения. Стабилитрон показывает два подхода к пробою, пробой стабилитрона и лавинный пробой.

Давайте отдельно разберемся в двух механизмах поломки.

• Механизм лавинной эвакуации

Лавинный пробой обычно происходит, когда приложенное напряжение обратного смещения высокое.Как мы уже знаем, в состоянии обратного смещения небольшой неосновной ток протекает через нормальный диод. Когда к устройству прикладывается высокое обратное смещенное напряжение, неосновные носители испытывают ускорение и перемещаются с высокой скоростью. Во время своего движения неосновные носители сталкиваются с атомами и генерируют большее количество свободных электронов. Эти свободные электроны порождают еще несколько свободных электронов. Таким образом, из-за этого мультипликативного действия генерируется сильный электрический ток.

Следовательно, мы говорим, что в случае лавинного пробоя требуется высокий потенциал обратного смещения.Этот высокий ток ответственен за необратимое разрушение нормального диода. Но лавинный диод, тщательно изготовленный для работы в области пробоя, выдерживает большой ток, протекающий через него.

• Механизм пробоя стабилитрона

Этот механизм пробоя наблюдается у сильно легированных диодов. Из-за высокой концентрации примесей ширина обеднения мала. С увеличением обратного потенциала в обедненной области создается сильное электрическое поле.

Поскольку на устройство подается обратный потенциал и напряжение приближается к напряжению стабилитрона. Электроны, присутствующие в обедненной области, используют эту энергию и разделяются с родительским атомом. Тем самым генерируя свободные электроны. Это действие генерирует больше свободных электронов, и, следовательно, их движение вызывает электрический ток через устройство. Таким образом, небольшое увеличение обратного напряжения вызовет немедленное увеличение тока через устройство. Ток, протекающий через устройство, показывает максимальное увеличение до допустимого для цепи значения.Этот обратный ток останется постоянным для широкого диапазона обратного потенциала.

Когда стабилитрон работает в области пробоя, он не горит быстро. Однако причина этого в том, что для защиты устройства от избыточного тока требуется некоторая внешняя цепь.

VI Характеристики стабилитрона

На рисунке ниже показана характеристика стабилитрона:

На рисунке представлена ​​кривая для кремниевых и германиевых диодов.Прямая характеристика стабилитрона аналогична нормальному диоду, что хорошо видно на рисунке выше.

В состоянии обратного смещения протекает небольшой обратный ток из-за неосновных носителей заряда. При увеличении обратного напряжения ток увеличивается. Достигается точка, когда переход разрушается и наблюдается резкое увеличение тока без заметного увеличения обратного потенциала. Это напряжение известно как напряжение стабилитрона . Ток через устройство ограничивается с помощью внешнего сопротивления.

Применение стабилитрона

Среди множества применений давайте обсудим некоторые важные применения стабилитрона:

1. В регулировании напряжения : Регулирование напряжения цепи — это ее способность поддерживать постоянное выходное напряжение независимо от изменения входного напряжения или тока нагрузки.
   На рисунке ниже представлена ​​схема стабилитрона в качестве стабилизатора напряжения:
   
   Здесь R _S — токоограничивающий резистор, V _S — источник напряжения, а R _L — сопротивление нагрузки.R _S поглощает колебания напряжения, обеспечивая постоянное напряжение на выходе. Пока напряжение нагрузки не станет меньше напряжения пробоя, стабилитрон не будет показывать проводимость.
   Когда напряжение на нагрузке увеличивается, чем напряжение пробоя, устройство начинает проводить проводимость в области пробоя. Таким образом, в области пробоя поддерживается постоянное напряжение
2. В режиме переключения : стабилитрон может использоваться для переключения, потому что он показывает резкий переход от низкого к высокому току.Благодаря таким характеристикам переключения он широко используется в компьютерных приложениях.
3. В защите счетчика : стабилитрон может защитить счетчик от приложенного к нему чрезмерного напряжения. При параллельном подключении стабилитрона к измерителю избыточный ток проходит через стабилитрон, а не через измеритель. Тем самым защищая его от серьезных повреждений.
4. В схемах ограничения : стабилитрон находит свое применение в схеме ограничения, где пик входного сигнала отсекается.Обычно ограничение выполняется для защиты чувствительных к напряжению устройств от перенапряжений.

Ключевые термины, относящиеся к стабилитрону

Напряжение стабилитрона : Это то напряжение обратного смещения, в котором полностью разрушается переход и через устройство протекает большой ток с постоянным потенциалом.

Обратный ток насыщения : Это ток, протекающий через устройство в состоянии обратного смещения из-за потока неосновных носителей заряда.

Импеданс стабилитрона : Импеданс стабилитрона в основном называется динамическим сопротивлением стабилитрона. Он определяется как отношение небольшого изменения напряжения стабилитрона и тока.

Выдается

Итак, можно сделать вывод, что стабилитрон однозначно является устройством с обратным смещением. Как и обычный диод в области прямого смещения. Это сильно легированный диод, за счет которого увеличивается проводимость и пробой достигается при низком напряжении.

Что такое диод Ганна? Определение, эффект Ганна, конструкция, работа диода Ганна

Определение : Диод Ганна — это полупроводниковый прибор, состоящий только из материала N-типа.Его также называют устройством с переносом электронов . Как и в материале n-типа, электроны действуют как основные носители, и они переносятся из одной долины в другую.

Это устройство с двумя выводами, в основном состоящее из полупроводникового материала, такого как GaAs, , InP, и т. Д. Поскольку эти материалы обладают способностью создавать микроволновые колебания.

Эффект Ганна — основа работы диода Ганна. Он был открыт физиком Дж. Б. Ганном в 1963 году .

Диод Ганна не содержит pn перехода, но он называется диодом из-за двух выводов внешнего приложенного постоянного напряжения. Он обладает характеристикой отрицательного сопротивления, благодаря чему они широко используются в высокочастотных приложениях.

Диоды Ганна

обладают способностью генерировать непрерывную мощность в диапазоне нескольких милливатт и частотой около от 1 до 200 ГГц удерживающая эффективность около от 5 до 15% .

На рисунке ниже показано символическое представление диода Ганна :

.

Что такое эффект Ганна?

В полупроводниковых материалах, таких как GaAs, электроны находятся в низкоскоростном состоянии с большой массой и низкой массой, но в высокоскоростном состоянии.Благодаря приложению достаточного электрического поля эти электроны из состояния с малой массой и высокой скоростью перемещаются в состояние с большой массой.

В этом конкретном состоянии электроны образуют кластер и, таким образом, движутся с одинаковой скоростью. Таким образом вызывается поток тока в виде серии импульсов.

Это называется эффектом Ганна и используется диодами Ганна, поэтому и назван так.

Конструкция диода Ганна

Мы уже обсуждали, что диод Ганна не является диодом с pn переходом, поскольку он состоит только из полупроводникового материала n-типа.На рисунке ниже представлена ​​конструктивная структура диода Ганна:

Здесь слаболегированный полупроводниковый слой n-типа присутствует между двумя сильно легированными материалами n-типа. Средняя часть называется активным слоем. Толщина этой области составляет от нескольких микрон до нескольких сотен микрон.

Схема диода Ганна сформирована путем выращивания эпитаксиального слоя n-типа поверх n + -подложки. Две высоколегированные области обеспечивают лучшую проводимость устройства.

Вся конструкция установлена ​​на проводящем основании, которое действует как теплоотвод для тепла, выделяемого во время работы. Кроме того, другой вывод образован путем соединения золотой пленки поверх верхней поверхности конструкции.

Работа диода Ганна

Работа диода Ганна зависит от эффекта Ганна, о котором мы уже говорили в предыдущем разделе этой статьи. Итак, теперь давайте посмотрим, как на самом деле работает диод Ганна.

Когда на устройство подается напряжение, этот внешний потенциал появляется на активном слое, вызывая поток электронов, присутствующих в этой области.Этот поток основных носителей заставляет ток течь через активную область устройства.

Как только импульс тока начинает проходить внутри активной области, потенциал в этой области падает. Благодаря этому не происходит дальнейшего формирования импульса тока.

Но как только ранее созданный импульс тока достигает другого конца активной области, потенциал снова повышается, что приводит к генерации другого импульса тока.

Таким образом, частота работы устройства зависит от времени, которое требуется импульсу для прохождения до другого конца, в результате от скорости генерации импульсов.

В отличие от диода с нормальным переходом, диод Ганна состоит из 3 энергетических зон, а именно, валентной зоны, зоны проводимости и дополнительной зоны над зоной проводимости.

На рисунке ниже представлена ​​структура уровней энергии арсенида галлия :

Когда к устройству прикладывается определенное напряжение, электроны в валентной зоне начинают двигаться к зоне проводимости, тем самым позволяя протекать току.

Но когда напряжение еще больше увеличивается, вместо того, чтобы пропускать большой ток, электроны в зоне проводимости перемещаются в сторону энергетической зоны, находящейся над зоной проводимости.

В связи с этим эффект известен как эффект перенесенного электрона. Это происходит потому, что электроны переходят из зоны проводимости в более высокое энергетическое состояние.

В этом конкретном состоянии электроны менее подвижны, следовательно, ток уменьшается с увеличением напряжения. Таким образом, возникает явление отрицательного сопротивления, когда ток уменьшается с увеличением напряжения.

По прошествии определенного времени, когда приложенное напряжение увеличивается дальше, электроны в состоянии с более высокой энергией получают достаточную энергию и возвращаются в состояние с более низкой энергией.Таким образом, в дальнейшем ток, протекающий через устройство, увеличивается с увеличением приложенного внешнего потенциала.

Характеристическая кривая диода Ганна

На рисунке ниже показана характеристика диода Ганна:

Здесь мы можем четко связать приведенное выше объяснение с показанной кривой. Изначально с увеличением приложенного напряжения ток через устройство также увеличивается.

Однако достигается точка, когда при увеличении напряжения ток через устройство начинает уменьшаться.Точка максимального тока известна как пиковая точка .

Область на кривой, которая показывает уменьшение тока с увеличением напряжения, называется областью отрицательного сопротивления кривой.

Характеристика отрицательного сопротивления также проявляется туннельным диодом, но оба эти типа работают по-разному.

Преимущества диода Ганна

• Стоимость изготовления диода Ганна невысока.
Диоды Ганна
• отличаются высокой надежностью.
• Обладает сравнительно низким рабочим напряжением, чем обычные диоды.
• Его установка в схемах проста.

Недостатки диода Ганна

• Они менее стабильны.
• КПД диодов Ганна очень низкий.
• Иногда шумовые эффекты сильнее у гунновских диодов.

Применение диодов Ганна

Диоды Ганна

находят применение в генераторах и усилителях, в ультразвуковых детекторах.Они также используются в тахометрах и в системе радиосвязи.

Что такое диод Шоттки? Определение, конструкция, работа, характеристика VI, преимущества, недостатки и области применения диода Шоттки

Определение : Диод Шоттки — это металл-полупроводниковый прибор с двумя выводами , который формируется путем рассеивания полупроводника n-типа по металлу. И металл, и полупроводник n-типа имеют электроны в качестве основных носителей, поскольку в металле присутствует почти ничтожное количество дырок.

Как и в диоде Шоттки, только основной носитель заряда, то есть электроны, ответственны за проводимость. Следовательно, это униполярный прибор .

Его другие названия: диод с барьером Шоттки или диод с горячим носителем . Причина, по которой эти диоды называются так, заключается в том, что большинство носителей (электроны) дрейфуют из n-области в металлическую область с очень высокой энергией.

Таким образом, называется горячими носителями, и поскольку проводимость обусловлена ​​этими горячими носителями, поэтому устройство известно как диод с горячими носителями.

Символ диода Шоттки

На рисунке ниже показано символическое изображение диода Шоттки:

Из приведенного выше рисунка видно, что металл образует соединение в качестве анода, а полупроводниковая область образует соединение в качестве катода.

Конструкция диода Шоттки

Конструктивная структура диода Шоттки отличается от конструкции обычного диода с pn переходом. Как мы уже знаем, диод с pn переходом формируется путем слияния полупроводникового материала p-типа с полупроводниковым материалом n-типа, тем самым образуя диод с pn переходом.

Однако для создания диода Шоттки полупроводниковый материал n-типа объединяют с металлом, чтобы получить переход металл-полупроводник .

На рисунке ниже представлена ​​конструктивная структура диода Шоттки:

Как видно из рисунка выше, металл объединяется с полупроводниковым материалом n-типа, образуя диод с горячими носителями. Металлом, используемым для изготовления диода Шоттки, может быть золото, вольфрам, платиновое серебро и т. Д.

На другой стороне перехода металл-полупроводник находится полупроводниковый материал n-типа. Обычно в качестве полупроводникового материала n-типа используется кремний, однако также используется германий.

Металлическая область в структуре действует как анод, а полупроводниковая область n-типа образует катод.

Давайте посмотрим на структурное представление диода Шоттки:

Отсутствие материала p-типа с полупроводниковым материалом n-типа исключает возможность наличия обедненной области.Следовательно, предотвращает накопленные заряды на стыке.

В случае диода Шоттки переход сравнительно более однородный, а устройство обладает большей прочностью, чем диод с точечным контактом.

Рабочий диод Шоттки

Из приведенного выше обсуждения ясно, что работа диода Шоттки отличается от работы обычного диода. Итак, теперь давайте посмотрим, как происходит проводимость в диоде Шоттки.

Когда металлическая область и материал n-типа образуют соединение, тогда основные носители заряда i.е. электроны быстро перемещаются из n-области в металлическую. Тем самым создается большой поток основных перевозчиков.

Кинетическая энергия этих инжектированных носителей высока по сравнению с электронами в металлической области. Таким образом, они широко известны как горячие носители.

Из-за движения основных носителей заряда от материала n-типа к металлу на стороне n рядом с переходом образуется область, обедненная (свободная) от носителей заряда. Эта область является не чем иным, как поверхностным барьером для дальнейшей проводимости.

На рисунке выше показано формирование поверхностного барьера в диоде Шоттки.

Итак, в этом случае прямое напряжение подается на устройство путем соединения положительной клеммы батареи с металлом, а отрицательной клеммы батареи — с материалом n-типа.

Состояние прямого смещения диода Шоттки показано ниже:

Из-за отталкивания от отрицательной клеммы батареи электроны, присутствующие на стороне n, перемещаются к металлической стороне, преодолевая поверхностный барьер.Это вызывает сильный поток электронов через металлическую сторону.

Однако барьерный потенциал в случае диода Шоттки намного меньше, чем у диода с pn переходом, как в прямом, так и в обратном смещенном состоянии.

Следовательно, в случае диода Шоттки при таком же подаваемом напряжении, как у диода с pn переходом, наблюдается значительно большая проводимость. Но это нежелательно при обратном смещении диода Шоттки, поскольку пробой достигается раньше, чем в устройстве с pn переходом.

В состоянии обратного смещения отрицательная сторона батареи соединена с металлом, а положительная сторона образует соединение с материалом n-типа.

Это представлено на рисунке здесь:

При приложенном обратном напряжении поверхностный барьер увеличивается, из-за чего прекращается проводимость через устройство.

Однако, поскольку в металлической области присутствует большее количество электронов, чем в материале n-типа, то из-за приложенного обратного напряжения через устройство протекает очень небольшое количество тока.Это называется током утечки.

При увеличении обратного напряжения ток через него тоже увеличивается. Но после определенного напряжения увеличение приложенного потенциала разрушит поверхностный барьер, тем самым повредив диод.

Следует отметить, что в случае диодов Шоттки почти незначительное присутствие дырок в металле уменьшает время обратного восстановления диода. Возникает вопрос, почему это так?

Ответ на поставленный выше вопрос заключается в том, что, как мы уже обсуждали, из-за униполярной природы устройства между двумя областями существует сравнительно меньший барьерный потенциал.Таким образом, он может отключаться быстрее, чем устройство с pn переходом. В результате сокращается время обратного восстановления.

В-I характеристика диода Шоттки

На рисунке ниже представлена ​​характеристическая кривая диода Шоттки:

Здесь ось X показывает приложенное напряжение, а ось Y представляет ток, протекающий через устройство. Он демонстрирует барьерный потенциал около от 0,2 до 0,25 В , тогда как в случае кремниевого диода на p-n переходе он составляет 0,7 В.

Кроме того, обратное напряжение пробоя в случае диода Шоттки намного меньше, чем у диода с pn переходом.

Преимущества диода Шоттки

• Обладает низким прямым напряжением включения .
• Емкость перехода, обеспечиваемая диодом Шоттки, мала.
• Обладает быстрым обратным временем восстановления т _рр .
Диоды Шоттки
• очень эффективны и используются в высокочастотных приложениях.

Недостатки диода Шоттки

• Напряжение обратного пробоя меньше в случае диода Шоттки.
• Это дорогое устройство.

Применение диода Шоттки

Они широко используются в высокочастотных устройствах переключения и выпрямления. Диоды Шоттки также используются в детекторах, логических схемах и в цифровых компьютерах и т. Д. Они также находят свое применение в схемах ограничителей и фиксаторов.

Полупроводниковые диоды — объяснение внутренней структуры и принципа действия

Самым ранним электронным компонентом, который был выпущен, на самом деле был диод.Это самый простой из полупроводниковых блоков

, но он играет чрезвычайно важную роль в электронных схемах, обладая характеристиками

, которые очень напоминают основные элементы переключателя.

Идеальный диод — это двухконтактный электронный компонент с символическим представлением и характеристиками, показанными на следующих рисунках:

Рисунок 1.1

В идеальном состоянии диод будет пропускают ток в направлении, указанном стрелкой в ​​символическом представлении

, и работают как разомкнутая цепь в случае, если предпринимается попытка создать ток в обратном направлении.По сути:

Идеальный диод по своим свойствам очень похож на переключатель, который может проводить ток
только в одном направлении.

При объяснении различных аспектов, которые будут следовать, очень важно, чтобы были очерчены различные буквенные символы

, полярности напряжения и направления тока.

Когда полярность приложенного напряжения соответствует полярности, показанной выше, часть характеристик, которая должна наблюдаться на рис.1.1b находится справа от вертикальной оси. В случае использования противоположного напряжения

, характеристики, указанные слева, становятся применимыми.

Когда ток, проходящий через диод, имеет направление, как показано на рис. 1.1a, участок характеристик, на который нужно смотреть, находится над горизонтальной осью, в то время как реверсирование направления потребует использования атрибутов под осью.

Для большинства атрибутов устройства, представленных на этом веб-сайте, ордината (или ось «y») выделяется как ось тока, а абсцисса (или ось «x») — это ось напряжения.

Среди основных параметров диода — сопротивление в точке или области

срабатывания. Когда мы думаем об области проводимости, характеризующейся направлением ID

и полярностью VD на рис. 1.1a (верхний правый квадрант рис. 1.1b), мы собираемся оценить, что

значение прямого сопротивления , RF, как описано законом Ома, составляет

, где VF — прямое напряжение на диоде, а IF — прямой ток через

диод.

Идеальный диод, как следствие, может быть короткое замыкание на область проводимости.

Посмотрите на область отрицательно расположенной разности напряжений (3-й квадрант) на рис. 1.1b,

, в которой VR — обратное напряжение на диоде, а IR — обратное ток через диод.

Таким образом, идеальный диод обычно представляет собой разомкнутую цепь в области непроводимости.

Выполняя обзор, можно применить ситуации, представленные на рис. 1.2. в области проводимости или непроводимости, просто наблюдая за направлением тока ID , вызванного напряжением.

При обычной полярности (противоположной полярности потока электронов), когда результирующий ток диода совпадает с направлением стрелки диода, диод функционирует в проводящей области, как показано на рис.1.3a.

В случае, если ток идет в обратном направлении, как показано на рис. 1.3b, может применяться аналог разомкнутой цепи.

Рисунок 1.3

Как указывалось ранее, основная цель этого сегмента — представить характеристики

идеального устройства для оценки с атрибутами коммерческих вариантов.

По мере продвижения следующих нескольких описаний не забывайте о следующих вопросах:

Насколько близко прямое или «включено» сопротивление реального диода по сравнению с

и идеальным нулевым уровнем?

Будет ли сопротивление обратного смещения достаточно большим для оценки обрыва цепи?

1.3 МАТЕРИАЛЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Полупроводник метки сам по себе дает представление о его свойствах. Префикс semi на самом деле
, как правило, дается набору диапазонов посередине между парой границ.

Фраза «проводник» приписывается практически любому материалу, который может способствовать обильному потоку
заряда в любое время, когда источник напряжения ограниченной степени подключается к его клеммам.

Изолятор может быть материалом, который обеспечивает чрезвычайно низкий уровень проводимости при деформации
от приложенного напряжения.

Полупроводник, следовательно, часто представляет собой материал, который имеет степень проводимости где-то между двумя крайними точками изолятора и проводника.

Обратную зависимость от проводимости вещества оказывает его сопротивление циркуляции заряда
или тока. Другими словами, чем больше величина проводимости, тем ниже уровень сопротивления
.

В таблицах фраза «удельное сопротивление» (греческая буква ро) часто используется при сравнении
степеней сопротивления компонентов.В метрических единицах удельное сопротивление вещества составляет
в -см или -м.

Рисунок 1.4

Единицы -см получаются путем замены единиц для каждого выражения на рис. 1.4 в приведенное ниже уравнение (извлеченное из фундаментального уравнение сопротивления R = мкл / A

На самом деле, когда область на рис. 1.4 составляет 1 см2, а длина 1 см, значение сопротивления
куба на рис.1.4 будет соответствовать значению удельного сопротивления вещества
, как подтверждается ниже:

Этот факт полезно помнить, когда мы будем оценивать уровни удельного сопротивления в следующих беседах.

В таблице 1.1 представлены стандартные значения удельного сопротивления для 3 основных групп элементов. Несмотря на то, что вы могли знать об электрических свойствах меди и слюды из ваших более ранних научных исследований, характеристики полупроводниковых компонентов германия (Ge) и кремния (Si) могли быть довольно новыми.

В следующих главах вы обнаружите, что это определенно не только 2 полупроводниковых элемента. Однако они могут быть двумя элементами, которые приобрели наибольший диапазон сродства для расширения полупроводниковой продукции.

В последнее время продолжается прогрессивное движение в сторону кремния и отказа от германия, но германий по-прежнему находится в умеренном производственном диапазоне.

Обратите внимание на таблицу 1.1, что крайний диапазон между проводником и изоляционными компонентами приходится на длину 1 см (площадь 1 см2) вещества.Восемнадцать областей отделяют десятичную точку для одного числа от другого. Ge и Si получили интерес по нескольким причинам.

Одна чрезвычайно важная мысль заключается в том, что их можно производить с очень хорошей степенью чистоты. На самом деле, последние достижения позволили свести к минимуму степень примесей в чистых материалах до 1 из 10 миллиардов (1 10 000 000 000). Может возникнуть вопрос, действительно ли нужны эти пониженные уровни примесей.

Они, безусловно, есть, если принять во внимание включение одной части примеси (надлежащего типа) на каждый миллион в кусочке кремниевого материала, может превратить это вещество из несколько плохого проводника в очень хороший проводник электричества.

Когда мы имеем дело с полупроводниковой средой, мы естественно сталкиваемся с совершенно новым диапазоном оценок.

Возможность кардинально повлиять на характеристики вещества с помощью этого метода, называемого «легированием», также является хорошей причиной того, что Ge и Si достигли такого обширного внимания.

Дополнительные факторы варьируются от доказанного факта, что их свойства могут быть существенно изменены с применением тепла или света, что может рассматриваться как решающая проблема при разработке устройств, зависящих от тепла и света.

Рис. 1.5

Некоторые из отличительных особенностей Ge и Si, упомянутых выше, связаны с их атомной структурой. Атомы каждого материала образуют довольно точный узор, который по своей природе прерывистый (то есть постоянно повторяется).

Один полный образец известен как кристалл, а периодическая структура атомов — решетка. Для Ge и Si кристалл представляет собой трехмерный алмазный каркас, показанный на рис.1.5.

Любой материал, состоящий исключительно из воспроизводящих кристаллических структур аналогичного вида, называется монокристаллической структурой. Для полупроводниковых элементов практического применения в области электроники эта индивидуальная характеристика кристалла присутствует, и, кроме того, периодичность состава не будет существенно меняться с включением примесей во время процесса легирования.

Теперь мы проанализируем строение атома как таковое и посмотрим, как это может повлиять на электрические свойства вещества.Как вы помните, атом состоит из трех основных частиц: электрона, протона и нейтрона.

Внутри атомной решетки нейтроны и протоны становятся ядром, а электроны движутся близко к ядру в пределах заданной орбиты. Модели Бора двух наиболее часто используемых полупроводников, германия и кремния, показаны на рис. 1.6.

Как показано на рис. 1.6a, атом германия имеет 32 вращающихся электрона, в то время как кремний несет 14 вращающихся электронов.В каждом сценарии вы найдете 4 электрона внутри самой внешней (валентной) оболочки.

Потенциал (потенциал ионизации), необходимый для выбивания любого из этих 4 валентных электронов, ниже по сравнению с любым другим электроном в каркасе. В чистом кристалле германия или кремния эти 4 валентных электрона обычно прочно прикреплены к 4 соседним атомам, как показано на рис. 1.7 для кремния.

Каждый Ge и Si называются четырехвалентными атомами, поскольку они имеют 4 валентных электрона.Связь атомов, усиленная разделением электронов, известна как ковалентная связь.

Несмотря на то, что ковалентная связь может привести к более сильной связи между валентными электронами и их родительским атомом, валентные электроны все еще могут поглощать достаточную кинетическую энергию естественных факторов, чтобы отделить ковалентную связь и перейти в «Свободный» статус.

Слово «свободный» объясняет, что их движение довольно чувствительно к воздействию разности потенциалов, например, от источников напряжения.

Эти естественные факторы состоят из таких эффектов, как световая энергия, доступная в виде фотонов, и тепловая энергия из атмосферной среды. При комнатной температуре вы найдете примерно 1,5 x 10 ¹⁰ свободных носителей в кубическом сантиметре встроенного кремниевого вещества.

Врожденные или внутренние вещества — это те полупроводники, которые были тщательно обработаны для минимизации примесей до удивительно низкого уровня, в первую очередь настолько чистых, насколько это возможно с помощью современных технологий.

Свободные электроны внутри вещества по естественным причинам известны как внутренние носители. При однородной температуре собственное германие-вещество могло иметь примерно 2,5 · 10 ¹³ свободных носителей на кубический сантиметр.

Доля количества носителей в германии по сравнению с кремнием выше 10 ³ и будет означать, что германий на самом деле является лучшим проводником при комнатной температуре. Это может быть правильным, однако оба они по-прежнему считаются слабыми проводниками в собственном состоянии.Обратите внимание, что в Таблице 1.1 удельное сопротивление также изменяется в соотношении приблизительно 1000: 1, причем кремний имеет большее значение. Очевидно, это должно быть так, потому что удельное сопротивление и проводимость противоположно связаны.

Повышение температуры полупроводника может привести к поразительному увеличению количества свободных электронов в материале.

По мере того, как температура повышается от абсолютного нуля (0 K), все большее количество валентных электронов поглощает достаточное количество тепловой энергии, чтобы разорвать ковалентную связь и добавить к количеству свободных носителей, как объяснялось ранее.Это повышенное количество носителей увеличивает индекс проводимости и приводит к снижению уровня сопротивления.

Полупроводниковые материалы, такие как Ge и Si, которые демонстрируют уменьшение значения сопротивления с повышением температуры, как полагают, обладают отрицательным температурным коэффициентом.

Вы, вероятно, помните, что сопротивление большинства проводников увеличивается с температурой.

Основная причина этого — доказанный факт, что количество носителей в проводнике не будет заметно увеличиваться с температурой, однако их колебательный характер вокруг относительно статичного положения, вероятно, сделает прохождение электронов через него все более сложным.Таким образом, повышение температуры приводит к повышению уровня сопротивления и положительному температурному коэффициенту.

1.4 УРОВНИ ЭНЕРГИИ

В изолированном атомном составе вы найдете индивидуальные уровни энергии, связанные с каждым вращающимся электроном, как показано на рис. 1.8a. Фактически, каждое содержимое будет иметь собственное количество допустимых уровней энергии для электронов в атомной структуре.

Чем дальше электрон от ядра, тем выше уровень энергии, и любой электрон, покинувший свой родительский атом, имеет более высокое энергетическое состояние по сравнению с любым электроном внутри атомного состава.

Между отдельными энергетическими уровнями могут появиться пространства, в которых нет одиночных электронов в изолированном атомном каркасе.

По мере того, как атомы материала приближаются друг к другу, чтобы создать конструкцию кристаллической решетки, они взаимодействуют между атомами, в результате чего электроны оказываются на определенной орбите одного атома, обладающего незначительно отличающимися уровнями энергии от электронов в пределах идентичная орбита соседнего атома.

Общий результат — рост отдельных уровней вероятных энергетических состояний валентных электронов до уровней зон, как показано на рис.1.8b.

Видите, вы найдете граничные диапазоны и состояния с максимальной энергией, в которых может оказаться любой электрон в атомной решетке, и останется неприемлемая область между валентной зоной и уровнем ионизации.

Помните, что ионизация — это процесс, при котором электрон может поглотить много энергии, чтобы оторваться от атомной основы и попасть в зону проводимости. Вы поймете, что энергия, связанная с каждым электроном, рассчитывается в электрон-вольтах (эВ).Единица оценки правильная, потому что

W = QV эВ —————- (1.2)

, как извлечено из определяющего уравнения для напряжения V = W / Q. Заряд Q — это заряд, связанный с одним электроном.

Замена заряда электрона и разности потенциалов 1 вольт в формуле. (1.2) может привести к уровню энергии, известному как один электрон-вольт. При этом энергия также может быть измерена в джоулях, а заряд одного электрона равен 1.6 x 10 ^-19 кулонов,

W = QV = (1,6 x 10 ^-19 C) (1 В)

1 эВ = 1,6 x 10 ^-19 Дж ——— —— (1.3)

При 0 К или абсолютном нуле (273,15 ° C) все валентные электроны полупроводниковых элементов в конечном итоге блокируются внутри своей внешней оболочки атома с уровнями энергии, связанными с валентной зоной. Рис. 1.8b. Но при комнатной температуре (300 K, 25 ° C) многочисленные валентные электроны достигают достаточной энергии, чтобы покинуть валентную зону, пересекая запрещенную зону, обозначенную Eg на рис.1.8b и попадают в зону проводимости.

Для кремния Eg составляет 1,1 эВ, для германия 0,67 эВ , а для арсенида галлия 1,41 эВ . Несомненно более низкое значение Eg для германия обусловлено повышенным количеством носителей в этом материале, чем кремний при комнатной температуре.

Обратите внимание, что для изолятора запрещенная зона обычно составляет 5 эВ или выше, что значительно ограничивает количество электронов, попадающих в зону проводимости при нормальной температуре.В проводнике есть электроны в зоне проводимости даже при 0 К. Совершенно естественно, поэтому при комнатной температуре вы найдете достаточно свободных носителей для поддержки огромного потока заряда или тока.

В разделе 1.5 мы обнаружим, что, когда определенные примеси вводятся в собственные полупроводниковые материалы, инициируются энергетические состояния внутри запрещенных колец, вызывая уменьшение Eg для обоих полупроводниковых материалов, следовательно, повышая плотность носителей в зоне проводимости при комнатная температура!

1.5 ВНЕШНИЕ МАТЕРИАЛЫ —
n- И p-ТИП

Свойства полупроводниковых материалов могут быть существенно реструктурированы путем добавления нескольких примесных атомов в достаточно чистый полупроводниковый материал. Эти типы примесей, хотя и вводятся только в количестве, вероятно, 1 из 10 миллионов, обладают способностью адекватно изменять полосовую структуру, полностью изменяя электрические свойства материала.

Полупроводник, на который повлиял процесс легирования, известен как примесный материал.

Вы найдете несколько внешних материалов, имеющих выдающееся значение для производства полупроводниковых приборов: n-типа и p-типа. Каждый из них будет более подробно объяснен в следующих параграфах.

Материал n-типа

Материалы n- и p-типа создаются с добавлением заданного количества примесных атомов в основу германия или кремния. N-тип получают путем добавления тех примесей, которые содержат 5 валентных электронов (пятивалентных), например сурьмы, мышьяка и фосфора.Результат таких примесных элементов показан на рис. 1.9

(применение сурьмы в качестве примеси на кремниевой платформе).

Помните, что 4 ковалентные связи продолжают присутствовать. Однако существует еще один конкретный 5-й электрон из-за примесного атома, который диссоциирует с какой-либо конкретной ковалентной связью. Этот оставшийся электрон, свободно связанный со своим родительским атомом (сурьмой), довольно свободно перемещается внутри только что созданного материала n-типа. Поскольку введенный атом примеси внес в структуру довольно «свободный» электрон:

Диффузные примеси, имеющие 5 валентных электронов, классифицируются как атомы-доноры.

Вы должны понимать, что, несмотря на то, что в материале n-типа установлено большое количество «свободных» носителей, он даже сейчас электрически нейтрален, потому что в конечном итоге количество положительно заряженных протонов в ядрах продолжает оставаться таким же, как количество « свободных »носителей и движущихся вокруг отрицательно заряженных электронов в составе.

Результат этого метода легирования относительной проводимости может быть соответствующим образом детализирован, используя диаграмму энергетических зон на рис.1.10. Обратите внимание на то, что дискретный уровень энергии (называемый донорным уровнем) обнаруживается на запрещенной орбите, имея Eg значительно ниже, чем у собственного материала.

Эти «свободные» электроны в результате добавления примесей остаются на этом уровне энергии и довольно легко поглощают достаточное количество тепловой энергии для перехода в зону проводимости при температуре окружающей среды.

Таким образом, при комнатной температуре мы видим большое количество носителей (электронов) на уровне проводимости, и проводимость вещества значительно возрастает.При комнатной температуре в собственном Si-материале можно найти около одного свободного электрона на каждые 10 ¹² атомов (от 1 до 10 ⁹ для Ge).

Если бы наш уровень допирования был 1 из 10 миллионов (10 ⁷ ), соотношение (10 ¹² /10 ⁷ ), вероятно, означало бы, что концентрация носителей выросла на 100 000: 1.

Материал p-типа

Материал p-типа создается путем легирования чистого кристалла германия или кремния примесными атомами с получением 3 валентных электронов.Обычно для этой операции используются бор, галлий и индий. Ниже показано влияние одного из этих факторов, бора, на кремниевую основу.

Обратите внимание на то, что сейчас слишком мало электронов для создания ковалентных связей во вновь образованной решетке. Образовавшаяся вакансия называется дырой и отображается крошечным круглым или положительным символом из-за отсутствия отрицательного заряда. Потому что эта вакансия быстро заберет «свободный» электрон:

Диффузные примеси с 3 валентными электронами известны как акцепторные атомы.

Получающийся в результате материал p-типа будет электрически нейтральным для аналогичных факторов, объясненных для материала n-типа.

Электрон против дырочного потока

Влияние дырки на проводимость показано на рис. 1.12. В случае, если валентный электрон получает достаточную кинетическую энергию для разрыва своей ковалентной связи и рассеивается в пустоте, образованной дыркой, тогда в ковалентной связи, которая разряжает электрон, должна образоваться вакансия или дырка.

Таким образом, вы обнаружите обмен дырками слева и электронами справа, как показано на рис.1.12. В этом тексте следует использовать направление, связанное с обычным потоком, которое показано направлением движения отверстия.

Мажоритарные и второстепенные носители

Во внутреннем состоянии количество свободных электронов в Ge или Si связано только с той горсткой электронов в валентной зоне, которые получили достаточную энергию от источников тепла или света для расщепляют ковалентную связь или до небольшого количества примесей, которые невозможно удалить.

Вакансии, оставленные в композиции ковалентной связи, символизируют наш очень ограниченный источник дырок. В материале n-типа количество отверстий остается очень неизменным по сравнению с этим внутренним уровнем. Таким образом, в конечном итоге объем электронов намного превышает количество дырок. Следовательно:

В материале n-типа (рис. 1.13a) электрон известен как основной носитель, а дырка — как неосновной носитель.

Для материала p-типа количество дырок намного превышает количество электронов, как показано на рис.1.13b. Следовательно:

В материале p-типа дырка оказывается основным носителем, а электрон — неосновным.

Когда 5-й электрон донорного атома покидает родительский атом, оставшийся атом получает чистый положительный заряд: следовательно, положительный знак в проявлении донорного иона. Во многом по тем же причинам отрицательный знак появляется у акцепторного иона.

Материалы n- и p-типа символизируют фундаментальную основу полупроводникового оборудования.В следующем сегменте мы увидим, как «соединение» одного материала n-типа с материалом p-типа составляет полупроводниковый компонент, имеющий существенную ценность в электронных схемах.

1.6 ПОЛУПРОВОДНИК ДИОД

В разделе 1.5 обсуждались материалы n- и p-типа. Полупроводниковый диод создается просто путем объединения этих компонентов (сделанных из одного и того же базового Ge или Si), как показано на рис. 1.14, с помощью методов, которые будут объяснены в главе 20.

В тот момент, когда оба материала «соединяются», электроны и дырки вокруг перехода сливаются, создавая дефицит носителей в области, близкой к стыку.

Эта область обнаженных положительных и отрицательных ионов известна как область истощения в результате истощения носителей в этой области.

Поскольку диод представляет собой двухконтактный блок, подача напряжения на его выводы дает 3 возможности: отсутствие смещения (VD = 0 В), прямое смещение (VD> 0 В) и обратное смещение (VD <0 V).

Каждая может быть ситуацией, которая может вызвать реакцию, которую пользователь должен полностью понимать, чтобы гарантировать эффективное использование устройства.

Нет приложенного смещения (VD = 0 В)

В ситуациях без смещения (нулевое напряжение) любые неосновные носители (дырки) в материале n-типа, которые оказываются в области истощения, будут двигаться прямо в материал p-типа.

Чем ближе неосновной носитель будет к переходу, тем выше будет притяжение слоя отрицательных ионов и меньше противодействие положительных ионов в обедненной области материала n-типа.

Для использования в будущих обсуждениях нам необходимо представить себе, что все неосновные носители материала n-типа, которые локализуются в области обеднения из-за своего произвольного движения, могут переходить прямо в материал p-типа.

Идентичный дискурс можно отнести к неосновным носителям (электронам) материала p-типа. Этот конкретный поток носителей можно увидеть на рис. 1.14 для неосновных носителей каждого материала.

Большинству носителей (электронов) материала n-типа необходимо преодолеть тянущие силы слоя положительных ионов в материале n-типа и защиту отрицательных ионов в материале p-типа, чтобы перепрыгнуть на область за пределами обедненной области материала p-типа.

Тем не менее, количество основных носителей в материале n-типа оказывается настолько огромным, что неизбежно вряд ли найдутся основные носители, обладающие достаточной кинетической энергией, чтобы пересечь область обеднения в материал p-типа.

И снова идентичный тип определения может быть использован для большинства носителей (отверстий) материала p-типа. Результирующее движение из-за большинства носителей также можно увидеть на рис. 1.14.

Детальное изучение рис.1.14 может показать, что относительные размеры векторов потока таковы, что чистый поток в любом маршруте равен нулю.

Конкретное окончание векторов можно увидеть в виде пересеченных линий. Диапазон вектора, символизирующего поток дырок, показан длиннее, чем у потока электронов, чтобы показать, что степень каждого из них не обязательно должна быть одинаковой для компенсации и что уровни легирования для каждого материала могут привести к однородному несущему потоку дырок и электроны. Следовательно, мы можем резюмировать:

При отсутствии напряжения смещения чистый поток заряда в заданном направлении для полупроводникового диода будет равен нулю.

Символическое представление диода повторяется на рис. 1.15 с использованием связанных областей n- и p-типа. Обратите внимание, что направление стрелки связано с компонентом p-типа, а прямая полоса — с областью n-типа. Как уже указывалось, для VD 0 В ток, протекающий в любом направлении, будет равен 0 мА.

Условие обратного смещения (VD

<0 В)

Если внешняя разность напряжений V вольт используется на pn переходе таким образом, что положительный вывод присоединяется к материалу n-типа, а отрицательный вывод соединяется с материал p-типа, как показано на рис.1.16, объем непокрытых положительных ионов в области обеднения материала n-типа увеличивается из-за огромного количества «свободных» электронов, движущихся навстречу положительному потенциалу подключенного напряжения. Точно так же объем экспонированных отрицательных ионов увеличивается в материале p-типа.

Общее воздействие, таким образом, заключается в расширении области истощения. Это расширение обедненной области создает достаточно большой барьер, который может преодолеть большинство носителей, эффективно снижая движение большинства носителей до нуля, как показано на рис.1.16.

Объем неосновных носителей, однако, которые в конечном итоге попадают в область истощения, не изменится, что приведет к векторам потока неосновных носителей, имеющим аналогичные размеры, как показано на рис. 1.14, без какого-либо приложенного напряжения.

Ток, который присутствует в ситуациях обратного смещения, известен как обратный ток насыщения и обозначается Is.

Обратный ток насыщения редко превышает несколько микроампер, за исключением мощных устройств.Фактически, в настоящее время его уровень обычно находится в пределах наноампер для кремниевых устройств и в нижнем микроамперном диапазоне для германия.

Термин «насыщение» возник по той причине, что он быстро достигает своего максимального уровня и практически не изменяется даже при повышении напряжения обратного смещения, как показано на характеристиках диода на рис. 1.19 для VD 0 В.

Ситуации с обратным смещением представлены на рис. 1.17 для символа диода и pn перехода. В частности, имейте в виду, что направление Is противоположно стрелке символа.

Аналогичным образом обратите внимание, что отрицательный потенциал прикреплен к материалу p-типа, а положительный потенциал — к материалу n-типа. Разница в подчеркнутых буквах для каждого местоположения указывает на ситуацию обратного смещения.

Условие прямого смещения (VD> 0 В)

Прямое смещение или состояние «включено» генерируется за счет использования положительного потенциала для материала p-типа и отрицательного потенциала для материала n-типа, как показано на рис. 1.18. Для последующих ссылок помните, что:

Полупроводниковый диод смещен в прямом направлении всякий раз, когда создается ассоциация p-типа и положительного, n-типа и отрицательного

Использование потенциала прямого смещения VD будет «давить» ”Электроны в материале n-типа и дырки в материале p-типа для рекомбинации с ионами вблизи периферии и минимизации размера обедненной области, как показано на рис.1.18.

Результирующий поток неосновных носителей электронов от материала p-типа к материалу n-типа (и дырок от материала n-типа к материалу p-типа) не изменился по значению (поскольку скорость проводимости равна регулируется в основном ограниченным количеством примесей в содержимом), однако уменьшение толщины области истощения привело к огромному потоку большей части через соединение.

Электрон материала n-типа в этот момент «видит» более слабый барьер на переходе из-за уменьшенной области обеднения и сильной тянущей силы для положительного потенциала, приложенного к материалу p-типа.

По мере увеличения смещения область истощения будет продолжаться и уменьшаться в размере до тех пор, пока поток электронов не сможет пройти через переход, вызывая экспоненциальный скачок тока, как указано в области прямого смещения характеристик вышеуказанных Рис. 1.19.

Помните, что вертикальный диапазон на рис. 1.19 оценивается в миллиамперах (хотя некоторые полупроводниковые диоды могут иметь вертикальный диапазон, оцениваемый в амперах), а горизонтальный диапазон в области прямого смещения имеет максимальное значение 1 В.

Обычно в результате напряжение на диоде со смещением в прямом направлении будет ниже 1 В. Также обратите внимание на то, как быстро ток проходит через изгиб формы волны.

С помощью физики твердого тела можно подтвердить, что стандартные характеристики полупроводникового диода могут быть описаны следующим уравнением для областей прямого и обратного смещения:

График уравнения. (1.4) приведено на рис. 1.19. Растягивая уравнение. (1.4) в приведенный ниже формат, дополняющий элемент для каждого раздела рис.1.19 можно соответствующим образом представить как:

Для положительных выражений VD 1-я фраза приведенного выше уравнения будет быстро расширяться и подавлять влияние 2-го выражения. В результате для положительных значений VD ID будет положительным и увеличится как функция y = e ^x , показанная на рис. 1.20.

При VD = 0 В , уравнение. (1.4) переходит в ID Is (e ⁰ — 1) = Is (1 — 1) = 0 мА, как показано на рис. 1.19. Для отрицательных величин VD 1-е выражение быстро исчезнет под Is, что приведет к ID = Is , то есть просто горизонтальной линией на рис.1.19.

Разделение атрибутов при VD = 0V происходит просто из-за значительных улучшений, сделанных на шкале от мА до мкА.

Имейте в виду, что на рис. 1.19 устройства, доступные на торговых площадках, имеют характеристики, смещенные вправо на несколько десятых вольта.

Основная причина этого — внутреннее «корпусное» сопротивление и внешнее «контактное» сопротивление диода.

Каждый из них играет роль в дополнительном напряжении с таким же уровнем тока, как определено законом Ома (V = IR) .Со временем, по мере развития технологий производства, эта разница может минимизировать, и реальные характеристики могут точно соответствовать характеристикам уравнения. (1.4).

Может быть важно помнить об изменении масштаба по вертикальной и горизонтальной оси. Для положительных значений ID шкала указана в миллиамперах, а текущая шкала под осью — в микроамперах (или даже наноамперах). Для VD шкала положительных значений в десятых долях вольт, а для отрицательных значений шкала в десятках вольт.

Сначала уравнение. (1.4) действительно кажется относительно сложным и может вызвать ненужные опасения, что оно может быть воспроизведено для всех последующих применений диодов. К счастью, однако, несколько приближений, вероятно, будут сделаны в более позднем сегменте, что позволит избежать необходимости применять уравнение. (1.4) и предоставить средство с наименьшими статистическими сложностями.

Перед тем, как закончить эту тему, касающуюся условий прямого смещения, ситуации для проводимости (состояние «включено») повторяются на рис.1.21 с использованием рекомендованных полярностей смещения и результирующего направления потока основной несущей. Обратите особое внимание на то, как путь проводимости дополняет стрелку на изображении (как это рекомендуется для идеального диода).

Область стабилитрона

Хотя масштаб на рис. 1.19 составляет 10 вольт в отрицательной области, существует положение, в котором приложение слишком отрицательного напряжения может привести к сильному изменению

характеристик, так как доказано на рис.1.22. Ток растет довольно быстро по пути, противоположному положительному напряжению. Потенциал обратного смещения, который вызывает такую ​​заметную разницу в характеристиках, известен как потенциал Зенера и обозначается символом VZ.

По мере того, как напряжение на диоде увеличивается в области обратного смещения, аналогичным образом увеличивается ускорение неосновных носителей, ответственных за обратный ток насыщения Is. Рано или поздно их ускорение и соответствующая кинетическая энергия (WK = 1/2 mv ² ) будет достаточной для разряда дополнительных носителей через столкновения с обычно стабильными атомными структурами.Это означает, что действие ионизации может повлиять на то, что валентные электроны поглощают энергию, достаточную для того, чтобы покинуть родительский атом. Все эти дополнительные носители могут затем помочь в подходе к ионизации до тех пор, пока не будет определен повышенный лавинный ток и не будет установлена ​​область лавинного пробоя.

Область лавины (VZ) может быть перенесена ближе к вертикальной оси за счет повышения уровней легирования в материалах p- и n-типа.

Однако, когда VZ понижается до минимального уровня, например 5V, другой процесс, называемый пробоем Зенера, добавляет к резким улучшениям характеристики.Это происходит из-за того, что вокруг соединения существует мощное электрическое поле, способное разрушить силы связи внутри атома и «создать» носители.

Хотя механизм пробоя стабилитрона вносит существенный вклад только при меньших степенях VZ, это отчетливое изменение атрибута на любом уровне известно как область стабилитрона, а диоды, использующие эту отличительную часть характеристики pn перехода, известны как Стабилитроны. Они подробно описаны в Разделе 1.14.

Детальная зона стабилитрона полупроводникового диода должна быть проигнорирована, если реакция системы не должна полностью измениться из-за резкого изменения характеристик в этой области обратного напряжения.

Наивысший потенциал обратного смещения, который может быть использован до входа в область стабилитрона, известен как пиковое обратное напряжение (просто известное как рейтинг PIV) или пиковое обратное напряжение (обозначаемое рейтингом PRV).

Если приложению требуется рейтинг PIV выше, чем у отдельного блока, несколько диодов с одинаковыми характеристиками можно подключить последовательно.Диоды также могут быть подключены параллельно для увеличения пропускной способности по току.

Кремний против германия

Кремниевые диоды, как правило, обладают более высокими значениями PIV и током, а также более широкими диапазонами температур по сравнению с германиевыми диодами. Рейтинги PIV для кремния могут находиться в диапазоне 1000 В, в то время как максимально возможное значение для германия может составлять около 400 В. Кремний отлично подходит для приложений, в которых температура может достигать примерно 200 ° C (400 ° F), тогда как германий имеет гораздо более низкий оптимальный рейтинг (100 ° C).

Тем не менее недостатком кремния по сравнению с германием, как показано на рис. 1.23, может быть повышенное напряжение прямого смещения, необходимое для достижения области движения вверх. Обычно оно находится в диапазоне 0,7 В для имеющихся в продаже кремниевых диодов и 0,3 В для германиевых диодов при приближении к десятым долям.

Повышенное смещение для кремния, как правило, из-за фактора в формуле. (1.4). Этот аспект играет роль в определении контура кривой только при минимальных уровнях тока.

Когда кривая начинает свой вертикальный подъем, коэффициент понижается до 1 (непрерывное значение для германия).

Это может быть подтверждено сходством кривых, как только достигается потенциал смещения.

Потенциал, в котором происходит этот набор высоты, обычно известен как смещение, порог или потенциал стрельбы.

Как правило, в обозначении этой величины используется 1-я буква выражения, обозначающего определенную величину.

С другой стороны, чтобы гарантировать минимальную путаницу с другими фразами, например, выходное напряжение (Vo) и прямое напряжение (VF), в этом объяснении фактически используется обозначение VT от слова «порог».

Анализ дает:

VT = 0,7 (Si)

VT = 0,3 (Ge)

Ясно, что чем ближе движение вверх к вертикальной оси, тем «идеальным» является устройство. С другой стороны, другие свойства кремния по сравнению с германием по-прежнему позволяют ему быть выбором в наиболее коммерчески предлагаемых единицах.

Влияние температуры

Температура может оказывать заметное влияние на свойства кремниевого полупроводникового диода, что можно наблюдать на стандартном кремниевом диоде на рис. 1.24. Экспериментально часто определяется, что:

Обратный ток насыщения Is оказывается практически в два раза больше на каждые 10 ° C повышения температуры.

Это не является необычным для германиевого диода с Is порядка 1 или 2 мкА при 25 ° C, чтобы испытать ток утечки 0.1 мА при температуре 100 ° C.

Уровни тока этих размеров в области обратного смещения, вероятно, будут иметь отношение к нашему идеальному состоянию разомкнутой цепи в области обратного смещения.

Стандартные значения Is для кремния, как правило, меньше, чем для германия при идентичных характеристиках мощности и тока, как показано на рис. 1.23.

Эффект состоит в том, что даже при чрезмерных температурах степени Is для кремниевых диодов, как правило, не достигают тех же высоких уровней, что и для германия, — критическая причина того, что кремниевые устройства отличаются значительно большей степенью развития и использования в конструкции.В принципе, эквивалент разомкнутой цепи в области обратного смещения лучше понят при любой температуре с кремнием по сравнению с германием.

Растущие уровни Is с учетом температуры для пониженных уровней пределов напряжения, как показано на рис. 1.24.

Просто поднимите уровень Is ​​в уравнении. (1.4) и наблюдаем более быстрое увеличение тока диода. Излишне говорить, что уровень TK также будет повышаться в том же уравнении, однако растущее количество Is может начать контролировать меньшее изменение в TK .

По мере повышения температуры прямые характеристики фактически становятся более «идеальными», однако при просмотре технических паспортов мы можем обнаружить, что температуры, превышающие стандартный рабочий диапазон, могут иметь чрезвычайно неблагоприятное влияние на оптимальную мощность и ток диода. диапазоны.

В области обратного смещения напряжение пробоя растет с температурой, но наблюдается неблагоприятный всплеск обратного тока насыщения.

1.7 УРОВНИ СОПРОТИВЛЕНИЯ

Когда рабочая точка диода смещается от одной области к новой, сопротивление диода, вероятно, изменится из-за нелинейного стиля характеристической кривой.

В следующих нескольких параграфах будет доказано, что форма приложенного напряжения или сигнала может определять интересующий уровень сопротивления.

В этом сегменте можно наблюдать 3 различных диапазона, которые можно использовать снова и снова при анализе дополнительных устройств. По этой причине чрезвычайно важно четко понимать их оценку.

Постоянный ток или статическое сопротивление

Использование постоянного напряжения в цепи, содержащей полупроводниковый диод, может привести к рабочему этапу на характеристической кривой, который не будет изменяться в зависимости от времени.Сопротивление диода в рабочей точке можно определить, просто вычислив уровни передачи VD и ID, как показано на рис. 1.25, и выполнив следующую формулу:

RD = VD / ID ——— —— (1.5)


Значения сопротивления постоянному току на уровне колена и ниже колена будут выше, чем значения сопротивления, полученные для вертикально увеличивающейся части характеристик.

Значения сопротивления в области обратного смещения, очевидно, будут чрезвычайно высокими.Из-за того, что омметрам обычно требуется источник постоянного тока, установленное сопротивление будет на заданном уровне тока (обычно несколько миллиампер).

Сопротивление переменному току или динамическое сопротивление

Из уравнения 1.5 и Пример 1.1, что сопротивление диода постоянному току не зависит от внешнего вида характеристики в области вокруг исследуемой точки.

В случае использования синусоидального входа вместо входа постоянного тока сценарий полностью меняется.Изменяющийся вход сдвигает мгновенный рабочий уровень по области характеристик и, следовательно, идентифицирует конкретное изменение тока и напряжения, как показано на рис. 1.27.

При неизменяющемся постоянном входном сигнале точкой срабатывания будет Q-точка, как видно на рис. 1.27, установленная с помощью приложенных уровней постоянного тока. Название Q-point происходит от слова quiescent, что означает «постоянный или неизменный».

Прямая линия, касательная к кривой через точку Q, как показано на рис.1.28 устанавливает конкретное изменение напряжения и тока, которое вы можете использовать для определения переменного или динамического сопротивления в этой области характеристик диода.

Необходимо попытаться сохранить как можно меньшее изменение напряжения и тока и на равном расстоянии по обе стороны от точки Q.

В виде уравнения:

rd =? Vd /? Id

где ? обозначает ограниченное изменение величины.

Чем круче наклон, тем меньше будет значение Vd для аналогичного изменения в Id и тем меньше будет его сопротивление.Следовательно, сопротивление переменному току в вертикальном участке характеристики очень мало, в то время как сопротивление переменному току значительно больше в более низких диапазонах тока.

Обычно это означает, что чем ниже рабочая точка Q (то есть для меньшего тока или более низкого напряжения), тем больше будет сопротивление переменному току.

Мы наблюдали динамическое сопротивление через графическое представление, однако вы найдете более простое определение в дифференциальном исчислении, которое скажет:

Производная функции при точка равна наклону касательной, проведенной в этой точке.

Уравнение (1.6), как показано на рис. 1.28, по сути, представляет собой нахождение производной функции в Q-точке операции.

Нахождение производной стандартного уравнения (1.4) для полупроводникового диода на основе прямого смещения и последующее инвертирование результата дает уравнение для динамического сопротивления или сопротивления переменному току в этой области. Смысл, учитывая производную уравнения. (1.4) со ссылкой на напряжение смещения может дать :

Важность уравнения.(1.7) необходимо четко понимать. Это означает, что динамическое сопротивление может быть получено в основном путем замены значения тока диода в уравнении в режиме покоя.

Вам не нужно зацикливаться на характеристиках или напряжении при рисовании касательных линий, как это определено уравнением. (1.6). Однако важно помнить, что уравнение. (1.7) является точным специально для значений ID в области вертикального подъема кривой.

Для более низких значений ID, 2 (кремний) и полученное значение rd следует умножить на коэффициент 2.Для меньших значений ID под изгибом кривой уравнение. (1.7) приводит к неверному результату.

Все величины сопротивления, установленные до сих пор, характеризуются pn переходом и не имеют собственного сопротивления полупроводникового материала (определяемого как сопротивление тела) и сопротивления, создаваемого сетью между содержанием полупроводника и внешний металлический проводник (называемый контактным сопротивлением).

Эти типы дополнительных величин сопротивления могут быть включены в формулу.(1.7) с добавлением сопротивления, обозначенного rB , как показано в следующем уравнении. (1.8).

Сопротивление r ‘d , таким образом, включает динамическое сопротивление, определенное формулой. 1,7 и сопротивление rB в настоящее время введено.

Фактически, определение rd для некоторого более высокого уровня точности по характеристической кривой, реализующей уравнение. (1.6) может быть в лучшем случае сложным подходом, и к его результатам нужно относиться с недоверием.

При более низких уровнях тока диода элемент rB обычно достаточно скромен по сравнению с rd, чтобы можно было не заметить его влияние на сопротивление диода переменного тока.

При более высоких степенях тока уровень rB вполне может приблизиться к уровню r’d , однако, учитывая, что часто будут дополнительные резистивные аспекты гораздо больших размеров последовательно с диодом, который мы собираемся предположить в В этой книге говорится, что сопротивление переменному току устанавливается исключительно с помощью r’d , а влияние rB , вероятно, будет проигнорировано, если не будет принято во внимание иное.

Научные усовершенствования последних лет утверждают, что степень rB может продолжаться и снижаться в цене и, в конце концов, превратиться в элемент, который, несомненно, можно было бы проигнорировать по сравнению с rd.

Вышеупомянутая тема была сосредоточена исключительно на области прямого смещения. В области обратного смещения мы представим, что изменение тока в диапазоне Is равно нулю от 0 В до области Зенера, и результирующее сопротивление переменному току, используя уравнение. (1.6) достаточно высока для оценки холостого хода.

Среднее сопротивление переменному току

В случае, если входной сигнал достаточно велик для создания широкого колебания, как показано на рис. 1.30, сопротивление, связанное с устройством с этой областью, известно как среднее сопротивление переменному току.

Среднее сопротивление переменному току — это, по определению, сопротивление, определяемое прямой линией, проведенной через два пересечения, установленной наивысшим и наименьшим значениями входного напряжения. В виде уравнения (см. Рис. 1.30):

В случае, если сопротивление переменному току (rd) было идентифицировано как ID = 2 мА, его значение будет больше 5? , а при установке на 17 мА было бы меньше.

В середине сопротивления переменного тока вызовет переключение с более высокого значения при 2 мА на более низкое значение при 17 мА.

Уравнение (1.9) определяет значение, которое рассматривается как среднее значение уровней переменного тока от 2 до 17 мА.

Тот факт, что один уровень сопротивления может использоваться для такого широкого диапазона характеристик, окажется весьма полезным при определении сопоставимых схем для диода в следующем разделе.

Подобно уровням сопротивления постоянному и переменному току, чем ниже состояние токов, привыкших определять среднее сопротивление, тем больше уровень сопротивления.

В следующей главе мы узнаем об эквивалентных схемах диодов.

Электрические характеристики диодной структуры CdZnTe / Si

1.

Д. Боннет, П. Мейерс, Дж. Матер. Res. 13 , 2740 (1998)

ADS Статья Google ученый

2.

Л. Косяченко, в Сол. Энергия, под редакцией Раду Д. Ругеску (IntechOpen, 2010).

3.

А. Рохатги, Р. Судхарсанан, С.А. Рингель, М.H. MacDougal, Sol. Ячейки 30 , 109 (1991)

Артикул Google ученый

4.

С. Чуснутдинов, В.П. Makhniy, T. Wojtowicz, G. Karczewski, Acta Phys. Pol. A 122 , 1077 (2012)

Артикул Google ученый

5.

Y. Zhang, L. Wang, R. Xu, J. Huang, J. Tao, H. Meng, J. Zhang, J. Min, Appl. Серфинг. Sci. 388 , 589 (2016)

ADS Статья Google ученый

6.

А. Э. Болотников, С. Бабалола, Г. С. Камарда, Ю. Цуй, С. У. Эгариевве, А. Хоссейн, Г. Янг и Р. Б. Джеймс, (2009).

7.

T.E. Шлезингер, Дж. Э. Тони, Х. Юн, Э. Ли, Б.А. Брюнетт, Л. Фрэнкс, Р. Б. Джеймс, Mater. Sci. Англ. R Отчеты 32 , 103 (2001)

Статья Google ученый

8.

D.S. Hobbs, B.D. Маклауд, Ветер. Dome Technol. Матер. IX 5786 , 349 (2005)

ADS Статья Google ученый

9.

P. Bouchut, J. Vac. Sci. Technol. B Microelectron. Наном. Struct. 9 , 1794 (1991)

ADS Статья Google ученый

10.

М. Кармоди и А. Гилмор, NREL Subcontract Rep. 1 (2011).

11.

T.J. de Lyon, J. Electrochem. Soc. 141 , 2888 (1994)

Артикул Google ученый

12.

М. Нираула, К. Ясуда, С.Намба, Т. Кондо, С. Мурамацу, Ю. Ваджима, Х. Ямасита, Ю. Агата, I.E.E.E. Trans, Nucl. Sci. 60 , 2859 (2013)

Артикул Google ученый

13.

Д. Греку, У. Джаямаха, Г. Рич, В. Г. Карпов, Conf. Рек. IEEE Photovolt. Спец. Конф. 680 (2000).

14.

Ö. Б. Балбаси, Ю. Эргунт, Ч. Догру, М. Юнал, М. П. Кабукчуоглу, М. Парлак и Р. Туран, in Proc. SPIE 10762, Жесткий рентген, гамма-излучение, обнаружение нейтронов.Phys. XX, 107620R (Сан-Диего, Калифорния, 2018 г.), стр. 29.

15.

S.M. Sze, D.C. Mattis, Phys. Сегодня 23 , 75 (1970)

Артикул Google ученый

16.

S.S. Hegedus, W.N. Shafarman, Prog. Photovoltaics Res. Прил. 12 , 155 (2004)

Артикул Google ученый

17.

A.A. Ojo, W.M. Крэнтон, И.М. Дхармадаса, Многослойные градиентные солнечные элементы нового поколения с запрещенной зоной действия (Спрингер, Чам, Швейцария, 2019)

Книга Google ученый

18.

F.E. Jones, B.P. Вуд, Дж. Майерс, К. Дэниэлс-Хафер, М. Lonergan, J. Appl. Phys. 86 , 6431 (1999)

ADS Статья Google ученый

19.

Ş. Айдоган, М. Саглам, А. Тюрют, Прил. Серфинг. Sci. 250 , 43 (2005)

ADS Статья Google ученый

20.

К. Бозкаплан, А. Томбак, М.Ф. Генишель, Ю. Ocak, K. Akkilic, Mater.Sci. Полуконд. Процесс. 58 , 34 (2017)

Артикул Google ученый

21.

М. Терлемезоглу, О. Байракли, Х. Х. Гюллю, Т. Чолакоглу, Д. Э. Йылдыз, М. Парлак, J. Mater. Sci. Матер. Электрон. 29 , 5264 (2018)

Артикул Google ученый

22.

Х. Х. Гюллю, М. Терлемезоглу, О. Байракли, Д. Э. Йылдыз, М. Парлак, Кан. J. Phys. 96 , 816 (2018)

ADS Статья Google ученый

23.

O.B. Sürücü, H.H. Güllü, M. Terlemezoglu, D.E. Йылдыз, М. Парлак, Phys. B Конденс. Дело 570 , 246 (2019)

ADS Статья Google ученый

24.

R.T. Тунг, матер. Sci. Англ. R Отчеты 35 , 1 (2001)

Статья Google ученый

25.

R.T. Тунг, Phys. Ред. B 45 , 13509 (1992)

ADS Статья Google ученый

26.

R.C. Невилл, Дж. Дж. Лоферский, Phys. Сегодня 35 , 65 (1982)

Артикул Google ученый

27.

Ю. Бадали,. Алтындал, И. Услуги, Прог. Nat. Sci. Матер. Int. 28 , 325 (2018)

Артикул Google ученый

28.

М. Дж. Дин и Ф. Паскаль, Справочники Springer 1 (2017).

29.

L.C. Kimerling, J. Appl. Phys. 45 , 1839 (1974)

ADS Статья Google ученый

30.

J.V. Li, A.F. Halverson, O.V. Сулима, С. Бансал, Дж.М. Берст, Т. Барнс, Т. Gessert, D.H. Levi, Sol. Energy Mater. Sol. Ячейки 100 , 126 (2012)

Артикул Google ученый

31.

J.S. Park, S. Kim, Z. Xie, A. Walsh, Nat. Rev. Mater. 3 , 194 (2018)

ADS Статья Google ученый

32.

Ş. Altindal, A. Tatarolu, I. Dökme, Sol. Energy Mater. Sol. Ячейки 85 , 345 (2005)

Артикул Google ученый

33.

Дж. Портманс, В. Архипов, Изготовление, определение характеристик и применение тонкопленочных солнечных элементов (Джон Вили и сыновья, 2006).

34.

Дитер К. Шредер, Характеристики полупроводниковых материалов и устройств, третье издание (John Wiley & Sons, 2005).

35.

W.A. Hill, C.C. Коулман, Солид. Состояние. Электрон. 23 , 987 (1980)

ADS Статья Google ученый

36.

R. Engel-Herbert, Y. Hwang, and S. Stemmer, J. Appl. Phys. 108 , (2010).

Полностью оптическая диодная структура, основанная на асимметричной связи между микрополостью и полостью FP на двух сторонах фотонно-кристаллического волновода: AIP Advances: Том 6, № 6

I. ВВЕДЕНИЕ

Раздел:

ВыбратьВверх страницыABSTRACTI.ВВЕДЕНИЕ << II.МОДЕЛЬ III.РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ... IV.ЗАКЛЮЧЕНИЕ СПРАВОЧНЫЕ СТАТЬИ Фотонный кристалл - это новый тип оптического искусственного материала. ^1,2 1. М. Скалора, Дж. П. Даулинг, К. М. Боуден и М. Дж. Блумер, «Оптический диод на краю фотонной зоны», J. Appl. Phys. 76 , 2023-2026 (1994). https://doi.org/10.1063/1.3585122. М. Д. Токчи, М. Дж. Блумер, М. Скалора, Дж. П. Доулинг и К. М. Боуден, «Тонкопленочный нелинейный оптический диод», Appl. Phys. Lett. 66 , 2324 (1995).https://doi.org/10.1063/1.113970 В последние два десятилетия исследования ПК стали горячей темой из-за способности управлять распространением электромагнитных волн из-за его структуры фотонных зон и локализованных фотонных состояний. Большое количество исследований сосредоточено на обнаружении новых физических свойств фотонных кристаллов, разработке новых устройств для ПК и изготовлении структуры ПК. ^3–11 3. Р. Мусса, Б. Ван, Г. Таттл, Th. Koschny, C. M. Soukoulis, «Эффект излучения и повышенного пропускания в фотонных кристаллах», Phys.Ред. B 76 (23), 235417 (2007). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.76.2354174. Моррисон С. К., Кившар Ю. С. Разработка направленного излучения из фотонно-кристаллического волновода // Прикл. Phys. Lett. 86 (8), 081110 (2005). https://doi.org/10.1063/1.18701335. Х. Чаглаян, И. Булу и Э. Озбай, «Внеосевое направленное излучение через поверхностные моды фотонного кристалла», Прил. Phys. Lett. 92 (9), 092114 (2008). https://doi.org/10.1063/1.28424246. С. Фан, П. Р. Вильнев, Ж.D. Joannopoulos, H. A. Haus, «Туннелирование капли канала через локализованные состояния», Phys. Rev. Lett. 80 (5), 960–963 (1998). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.80.9607. М. Белотти, М. Галли, Д. Джерас, Л. К. Андреани, Г. Гиззетти, А. Р. М. Зайн, Н. П. Джонсон, М. Сорель и Р. М. Де Ла Рю, «Полностью оптическое переключение в фотонной проволоке кремний-на-изоляторе. -полости », Опт. Экспресс 18 (2), 1450–1461 (2010). https://doi.org/10.1364/OE.18.0014508. Д. Шридхаран, Р. Бозе, Х.Ким, Г. С. Соломон и Э. Вакс, «Обратимо перестраиваемый лазер на фотонно-кристаллической нанополости, использующий тонкую фотохромную пленку», Опт. Экспресс 19 (6), 5551–5558 (2011). https://doi.org/10.1364/OE.19.0055519. Кадир Устюн и Хамза Курт, «Компактная связь света от обычного фотонного провода с медленными световодами», J. Appl. Phys. 110 , 113109 (2011). https://doi.org/10.1063/1.366587810. Х. Курт, И. Х. Гиден и Д. С. Цитрин, «Дизайн Т-образного нанофотонного проволочного волновода для оптического соединения в сети H-дерева», Опт.Экспресс 19 , 26827-26838 (2011). https://doi.org/10.1364/OE.19.02682711. Линлин Чжан, Цивен Чжан, Биньфэн Юнь, Цзяю Чжан и Ипин Цуй, «Многоканальная маршрутизация пучков с подавлением дифракции в двумерных фотонных кристаллах», Опт. Экспресс 19 , 9890-9895 (2011). https://doi.org/10.1364/OE.19.009890 В 1994 году Майкл Скалора впервые сообщил о полностью оптическом диоде, использующем одномерные нелинейные фотонные кристаллы с пространственной градуировкой линейного показателя преломления. ^12,13 12. К. Калло и Г. Ассанто, «Полностью оптический диод в волноводе из ниобата лития с периодической полярностью», Прикл. Phys. Lett. 79 , 314 (2001). https://doi.org/10.1063/1.138640713. Р. Филип, М. Ания, К. С. Йеллесварапу и Д. В. Г. Л. Н. Рао, «Пассивный полностью оптический диод, использующий асимметричное нелинейное поглощение», Appl. Phys. Lett. 91 , 141118 (2007). https://doi.org/10.1063/1.2794015 Полностью оптические диоды как разновидность нового фотонного устройства имеют большой потенциал применения в интегральных оптических схемах и системах оптических межсоединений из-за функции прямой передачи и обратной отсечки, как и электронные диоды в цепи.в последние годы появились сообщения о различных типах полностью оптических диодных структур, таких как левые периодические структуры, ¹⁴ 14. А. Сяйнетйоки, М. Мюло, Дж. Ахопельто и Х. Липсанен, «Дисперсионная инженерия в фотонно-кристаллические волноводы с кольцевыми отверстиями, Optics Express 15 , 323-8328 (2007). https://doi.org/10.1364/OE.15.008323 перестраиваемые поверхностные плазмонные поляритоны в серебряной решетке, покрытой нелинейным органическим материалом, ¹⁵ 15. М. В. Фейз, И. В. Шадривов, Ю.Кившарь С. Действие бистабильного диода в левопериодических структурах // ФММ. Ред. E 71 , 037602 (2005). https://doi.org/10.1103/PhysRevE.71.037602 слои материала с асимметричным нелинейным поглощением, ¹⁶ 16. XY Hu, X. Chin, ZQ Li и QH Gong, «Сверхконтрастные полностью оптические диоды на основе настраиваемой поверхности. плазмон-поляритоны », New Journal of Physics, 12, , 023029 (2010). https://doi.org/10.1088/1367-2630/12/2/023029 волноводы из ниобата лития с периодической полярностью, ¹⁷ 17.Р. Филип, М. Ания, К. С. Йеллесварапу и Д. В. Г. Л. Н. Рао, «Пассивный полностью оптический диод, использующий асимметричное нелинейное поглощение», Appl. Phys. Lett. 91 , 141118 (2007). https://doi.org/10.1063/1.2794015 световые туннельные гетероструктуры с одномерными ПК и металлической пленкой с потерями, ¹⁸ 18. К. Калло, Г. Ассанто, «Полностью оптический диод в волноводе из ниобата лития с периодической полярностью. ”Appl. Phys. Lett. 79 , 314 (2001). https://doi.org/10.1063/1.1386407 Электроперестраиваемый оптический диод на основе жидкокристаллических фотонно-кристаллических гетеропереходов, ^19,20 19.Ч. Х. Сюэ, Х. Т. Цзян и Х. Чен, «Высокоэффективное полностью оптическое действие диода на основе светотуннелирующих гетероструктур», Опт. Экспресс 18 , 7479 (2010). https://doi.org/10.1364/OE.18.00747920. Дж. Хван, М. Х. Сонг, Б. Парк, С. Нисимура, Т. Тоёока, Дж. У. Ву, Ю. Таканиси, К. Исикава и Х. Такезо, «Электроперестраиваемый оптический диод на основе фотонных запрещенных жидкокристаллических гетеропереходов», Nat. Матер. 4 , 383 (2005). https://doi.org/10.1038/nmat1377 и т. д. Как широко распространенное физическое явление, резонанс Фано привлек внимание большого числа исследователей для изучения физических характеристик и потенциальных приложений. ^21–23 21. MH Song, B. Park, Y. Takanishi, K. Ishikawa, S. Nishimura, T. Toyooka и H. Takezoe, «Простой электронно-настраиваемый оптический диод с использованием фотонных и анизотропных жидкокристаллических пленок. Тонкие твердые пленки 509 , 49-52 (2006). https://doi.org/10.1016/j.tsf.2005.09.01022. Д. Мори, С. Кубо, Х. Сасаки и Т. Баба, “Широкополосный и низкодисперсный медленный свет, создаваемый чирпированным волноводом с фотонным кристаллом”, Опт. Lett. 15 , 5264-5270 (2007) 23. Б. Коркоран, К. Монат, К.Грилле, DJ Мосс, Б.Дж. Эгглтон, Т.П. Уайт, Л. О’Фаолейн и Т.Ф. Краусс, «Излучение зеленого света в кремнии за счет генерации третьей гармоники, усиленной медленным светом, в световодах на фотонных кристаллах», Nature Photonics 3 , 206- 210 (2009). https://doi.org/10.1038/nphoton.2009.28 Одна из горячих точек — переключение бистабильности ПК. ^24,25 24. М. Солячич, М. Ибанеску, С. Г. Джонсон, Ю. Финк, Дж. Д. Джоаннопулос, “Оптимальное бистабильное переключение в нелинейных фотонных кристаллах”, Phys.Ред. E 66 , 055601 (R) (2002). https://doi.org/10.1103/PhysRevE.66.05560125. М. Ф. Яник, С. Фан, М. Солячич, «Высококонтрастное полностью оптическое бистабильное переключение в микрополостях фотонного кристалла», Прикл. Phys. Lett. 83 , 2739-2741 (2003). https://doi.org/10.1063/1.1615835 Резонансный пик — это пик пропускания или отражения в зависимости от интерференции между микрополостью и волноводом или волноводным отражателем. Микрополость в ПК имеет сверхвысокую добротность Q = ω ₀ / Δ ω .Δ ω — половина максимальной ширины, а ω ₀ — центральная частота. Для одномодового резонатора, независимо от того, является ли он резонансным резонатором Фано типа пропускания или отражения, оптическая интенсивность, связанная с резонатором, пропорциональна добротности Icav = I0Qπ. ²⁶ 26. М. Нотоми, К. Ямада, А. Шинья, Дж. Такахаши, К. Такахаши и И. Йокогама, «Чрезвычайно большая дисперсия групповой скорости волноводов с дефектами линий в пластинах фотонных кристаллов», Phys. Rev. Lett. 87 , 253902 (2000).https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.87.253902 I _cav — это оптическая интенсивность в резонаторе, а I ₀ — входная оптическая интенсивность. Если среда резонатора представляет собой нелинейный материал третьего порядка, это означает, что нелинейный эффект может быть усилен Qπ. Высококачественный микрополость ПК имеет хороший эффект для усиления нелинейного эффекта. Таким образом, полностью оптический диод на основе нелинейных кристаллических микрополостей стал горячей точкой исследований. ^27–29 27.Н. С. Чжао, Х. Чжоу, К. Го, В. Ху, X. Б. Ян, С. Лан и X. С. Линь, «Разработка высокоэффективных оптических диодов на основе динамики нелинейных молекул фотонного кристалла», J. Opt. Soc. Являюсь. В 23 , 2434-2440 (2006). https://doi.org/10.1364/JOSAB.23.00243428. X. S. Lin, W. Q. Wu, H. Zhou, K. F. Zhou, S. Lan, «Повышение однонаправленного пропускания за счет связи нелинейных дефектов фотонного кристалла», Опт. Экспресс 14 , 2429-2439 (2006). https://doi.org/10.1364 / OE.14.00242929. Х. Чжоу, К. Ф. Чжоу, В. Ху, К. Го, С. Лан, X. С. Линь, А. В. Гопал, «Полностью оптические диоды на основе фотонно-кристаллических молекул, состоящих из пар нелинейных дефектов», J. Appl. Phys. 99 , 123111 (2006). https://doi.org/10.1063/1.2207726 Yi Yu и др. экспериментально продемонстрировали полностью оптический диод в нелинейном фотонно-кристаллическом микрополости с нарушенной симметрией. ³⁰ 30. Йи Ю, Яохуэй Чен, Хао Ху, Вэйци Сюэ, Крестен Ивинд и Джеспер Морк, «Невзаимная передача в нелинейной фотонно-кристаллической структуре Фано с нарушенной симметрией», Laser Photonics Rev. 9 , 241-247 (2015). https://doi.org/10.1002/lpor.201400207 В структуре частично передающий элемент вводится в волноводе PCwaveguide над нанополостью, создавая блокирующее отверстие, а симметрия структуры нарушается за счет смещения частично передающего элемента на один постоянная решетки в сторону одного порта.

В статье исследуется полностью оптический диод самовоспроизводящегося типа на основе асимметричных двумерных нелинейных кристаллических микрополостей, однонаправленное прохождение которых осуществляется входным сигналом без использования каких-либо внешних насосов.Он спроектирован как асимметричная структура, состоящая из нелинейного микрополости и полости FP с двух сторон волновода PC. Важные характеристики, включая максимальный коэффициент пропускания, прямую и обратную передачу, пороговую мощность и время отклика, подробно анализируются с использованием метода нелинейного FDTD.

II. МОДЕЛЬ

Раздел:

ВыбратьВверх страницыАБСТРАКТИ.ВВЕДЕНИЕII.МОДЕЛЬ << III.РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ... IV.ЗАКЛЮЧЕНИЕ СПРАВОЧНЫЕ СТАТЬИ Во-первых, резонансный микрополость Фано проходного типа со сверхвысокой добротностью в воздушном мосту. Плита ПК, состоящая из квадратной решетки, выполнена на рис.1 (а). Постоянная решетки фотонного кристалла установлена ​​как a . Эллиптический точечный дефект задается в первом слое ниже линейного дефекта PCwaveguide. Радиус диэлектрического цилиндра составляет r = 0,3 a . Кроме того, один диэлектрический цилиндр над микрополостью в качестве слоя отражателя ( R ) добавлен, чтобы заблокировать дефект линии PCwaveguide. Показатели преломления воздуха и GaAs равны n ₀ = 1 и n = 3,46. Большая и малая оси точечного эллиптического дефекта установлены равными 0.534 a и 0,3 a соответственно. Спектры пропускания микрополости Фано рассчитаны на рис. 1 (б). Мы видим, что пик Фано очень крутой, особенно с левой стороны. Коэффициент добротности рассчитан примерно на 4500. Таким образом, только очень небольшое изменение показателя преломления точечного дефекта может привести к перемещению резонансного пика.

Если в среду вводится эффект Kerrnonline, а рабочая длина волны устанавливается в полосе отражения рядом с пиком Фано, пик Фано будет сдвинут в красную область.В этом процессе состояние резонансного отражения преобразуется в резонансное пропускание при определенной интенсивности света. Достигнут процесс переключения с выключенного состояния на включенное. Но для входящего света от сильного к ослабленному процессу состояние резонансной передачи преобразуется в резонансное отражение при другой интенсивности света. Это процесс переключения с включения на выключение. Две интенсивности света, соответствующие мутации пропускания, различаются. Он может быть выполнен в виде оптических переключателей бистабильности. Спектры пропускания резонансной полости Фано можно эффективно регулировать, изменяя параметры структуры и показатель преломления точечного эллиптического дефекта, что очень удобно при разработке новых функциональных устройств.Чтобы получить полную картину фотонных свойств как отдельных компонентов, так и их комбинированной реализации, использовались методы расчета как во временной, так и в частотной области. Поскольку вычислительные методы, используемые в этом анализе, основаны на уравнениях Максвелла, которые не зависят от масштаба, все геометрические параметры в моделировании были масштабированы до постоянной решетки ПК (обозначенной a ).

Полностью оптический диод требует двух условий: одно — это асимметричная структура, а другое — нелинейная.Мы проектируем полость FP во втором слое над волноводом PC [показано на рис. 2 (а)]. Кроме того, асимметричная структура формируется путем установки слоя отражателя R ниже левого конца полости FP. Спектры пропускания рассчитаны на рис. 3 (б). Рядом с пиком Фано находится пик передачи на нормированной частоте 0,44458. Такая конструкция обеспечивает эффективное взаимодействие между полостью FP и полостью Фано.

III. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ И АНАЛИЗ

Раздел:

ВыбратьВверху страницыABSTRACTI.ВВЕДЕНИЕII.МОДЕЛЬ III.РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ И … << IV.ЗАКЛЮЧЕНИЕ ССЫЛКИ НА СТАТЬИ Структура полностью оптического диода показана на рис. из PCwaveguide. Сначала мы рассчитаем спектры пропускания без нелинейного эффекта на рис. 3 (б). Мы можем наблюдать два пика пропускания: узкий - пик Фано микрополости, а другой широкий - пик FP. Выбираем нормированную частоту 0.44603 в качестве рабочей длины волны, которая находится в полосе отражения между пиком Фано и пиком FP ​​и близка к пику Фано. Распределение оптического поля в микрополости намного больше, чем в других областях, поэтому нелинейным эффектом можно пренебречь, за исключением точечного дефекта.

Теперь мы изучаем характеристики передачи, вызывая нелинейный эффект Керра. Коэффициент Керра GaAs установлен как n ₂ = 1,5 * 10 ⁻⁵ мкм ² / w . При прямом пуске с рабочей длиной волны λ ₀ входной свет отражается отражателем R .Но микрополость находится близко к отражателю R , поэтому исчезающая волна неизбежно попадает в микрополость, создавая эффект Керра. Кроме того, этот нелинейный эффект усиливается с ростом оптической интенсивности. При запуске назад входящий свет также отражается отражателем R . Но из-за конструкции асимметричной структуры кратковременная волна сначала войдет в резонатор FP. Таким образом, кратковременная волна вошла в микрополость меньше, чем прямой запуск. При одинаковой входной интенсивности изменение показателя преломления микрополости при прямом запуске больше, чем при обратном запуске.Используя указанный выше эффект, мы можем разработать эффективный оптический диод.

На рисунке 4 (а) показано распределение оптического поля при прямом пуске при плотности входной мощности P = 0,4 мВт / мкм . При такой входной интенсивности эффективно создается эффект Керра микрополости Фано. Таким образом, пик Фано сместится в красную область до λ ₀ . Затем мы видим, что свет проходит через волновод, а не отражается обратно. Но для обратного запуска та же удельная мощность P = 0.4 mw / мкм недостаточно прочен, чтобы вызвать эффект Керра. Таким образом, входное отсечение света с запуском в обратном направлении [показано на рис. 4 (b)]. Функция прямого пропускания, обратная отсечка были достигнуты при P = 0,4 мВт / мкм .Nest, мы изучаем взаимосвязь между прямым и обратным пропусканием с плотностью мощности света на λ ₀ . На рис. 5 сплошная линия и пунктирная линия указывают коэффициенты пропускания при прямом и обратном пуске с удельной мощностью соответственно.Коэффициент пропускания при прямом пуске внезапно меняется с низкого на высокий при P = 0,35 мВт / мк м. Для обратного запуска плотность мощности мутации передачи составляет 0,52 мВт / мк м. Таким образом, при 0,35 мВт / мкм ≤ P мВт / мВт , функция однонаправленной передачи в качестве полностью оптического диода может быть достигнута. Пороговая интенсивность, которая указывает на самую низкую интенсивность для однонаправленной передачи, требует только приблизительно 0.35 mw / um . В конструкции максимальный коэффициент пропускания, который указывает на световую эффективность в случае прямого пропускания, может достигать около 80%, а коэффициент контрастности пропускания Tλ + −Tλ− / Tλ ++ Tλ− достигает около 0,8. Наконец, мы анализируем время отклика устройство. При P = 0,4 мВт / мкм м динамические изменения коэффициентов пропускания во времени показаны на рис. 6 (a) и 6 (b), соответствующих запуску вперед и запуску назад, соответственно. Для прямого запуска на рис.6 (а), коэффициент пропускания увеличивается с увеличением времени и становится стабильным при прямой передаче после T = 50 пс . Соответствующее видео распределения электрического поля при T > 50 пс показано на рис. 6 (c) (мультимедийный вид). Для обратного запуска входной свет всегда отключается [показано на рис. 6 (b)], а соответствующее видео распределения электрического поля при T > 50 пс показано на рис. 6 (d ) (Просмотр мультимедиа).Результат показывает, что время отклика приближается к пикосекундному уровню.

IV. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Раздел:

ВыбратьВерх страницыАБСТРАКТИКА.ВВЕДЕНИЕII.МОДЕЛЬIII.РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ И … IV.ЗАКЛЮЧЕНИЕ << СПРАВОЧНЫЕ СТАТЬИ

Мы представляем высокоэффективный полностью оптический диод на основе волновода PCwaveguide. Конструкция представляет собой асимметричное соединение микрополости Фано с боковым соединением и резонатора FP. Характеристики передачи исследуются численно с помощью нелинейного метода FDTD.Из-за асимметричной конструкции для запуска в обратном направлении требуется более сильный падающий свет, чтобы вызвать эффект Керра микрополости, чем для прямого запуска, поэтому может быть достигнута функция однонаправленной передачи. По сравнению с предыдущей литературой, новая структура, представленная здесь, имеет высокое пропускание в положительном направлении (около 80%), высокий коэффициент контрастности пропускания (около 0,8), низкий порог мощности (менее 1 мВт, / мкм, м) и отличный время отклика (пикосекундный уровень). Кроме того, рабочий диапазон частот устройства можно гибко регулировать, изменяя постоянную решетки a.Мы считаем, что асимметричная структура имеет большой потенциал для использования в нелинейных оптических приложениях и легко интегрируется в оптический чип.