Зависимость параметров от температуры.

Сильное легирование материала туннельного диода обес­печивает возможность работы прибора в широком температур­ном диапазоне. Тем не ме­нее, для правильного конструирования схем с туннельными диодами необходимо знать поведение основных параметров диода при изменении температуры.

Теоретические исследованияпоказали, а практические опыты подтвердили зависимость температурной ста­бильности параметров туннельного диода от типа материала и степени его легирования. Поскольку концентрации примесей имеют значительный разброс (даже у приборов одного типа), постольку температурные зависимости могут меняться от диода к диоду и для выявления закономерностей этих зависимо­стей необходимы массовые испытания.

Наибольшим исследованиям подвергались температурные зависимости тока максимума и минимума вольтамперной ха­рактеристики. Характер зависимости тока максимума от тем­пературы определяется типом материала, на основе которого сделан туннельный диод, и степенью его легирования. Вид этой зависимости определяется суммарным влиянием двух факторов, действующих в противоположных направлениях:

изменение ширины запрещенной зоны материала, что при­водит к изменению вероятности туннелирования электронов;

изменение с температурой статистических факторов, учи­тывающих плотность энергетических состояний и их заселен­ность в полупроводнике.

Второй фактор будет определяющим при малом вырожде­нии материала (относительно слабое легирование), когда тун­нельный ток обусловлен электронами с энергетических уров­ней, расположенных около уровня Ферми. С увеличением тем­пературы в этом случае будет наблюдаться уменьшение тока максимума, так как изменится заселенность энергетических уровней. Поэтому туннельные диоды на основе германия n -типа обладают отрицательным температурным коэффициентом тока максимума порядка 0.2—0,3%° C, потому что концентрация примесей в рекристаллизованной области ограничена зна­чением 6·10¹⁹ см³.

Изменение ширины запрещенной зоны с температурой бу­дет определяющим в диодах с сильным легированием, так как при глубоком вырождении ток будет определяться туннелированием электронов с уровней, энергия которых значительно меньше энергии, соответствующей уровню Ферми. С ростом температуры ток максимума должен расти (из-за повышения вероятности туннельного эффекта) при уменьшении ширины запрещенной зоны, что наблюдается и на практике у диодов на основе германия p -типа, начиная с определенной концент­рации примесей в них (примерно 6·10¹⁹ см⁻³).

Зависимость характера изменения тока максимума тун­нельного диода с температурой от степени легирования позво­ляет подобрать такую концентрацию примесей в материале, при которой в широком температурном диапазоне будет на­блюдаться малое изменение тока максимума. О величине кон­центрации примесей можно судить по определяемому ей на­пряжению u₁, соответствующему току максимума диода. Так, германиевые туннельные дио­ды с напряжением u₁ 56 — 60 мв обладают минимальной зави­симостью тока максимума в диапазоне 100° C.

Зависимость тока минимума I₂ (избыточный туннельный ток) от температуры определяется изменением ширины запре­щенной зоны, так как заселенность промежуточных энергети­ческих уровней, переход электронов через которые определяет избыточный ток, не зависит от температуры, потому что они значительно удалены от уровня Ферми. Поэтому с ростом тем­пературы ток минимума увеличивается главным образом из-за уменьшения ширины запрещенной зоны.

Отношение тока максимума к току минимума I₁ / I₂ обычно уменьшается с ростом температуры, причем (для диодов на основе германия n -типа) тем сильнее, чем больше это отно­шение.

Температурные зависимости напряжения u₁, соответствую­щего максимуму туннельного тока, напряжения u₀, соответст­вующего минимальному значению отрицательного сопротив­ления, и напряжения u_1xR, соответствующего минималь­ному дробовому шуму p - n -перехода, определяются в основном степенью легирования n -области и ослабевают с ростом концентрации примесей в ней. Обычно эти напряжения меняются мало и при увеличении температуры незначительно уменьша­ются. Напряжение u₂, соответствующее минимуму туннельно­го тока, с повышением температуры также уменьшается (из-за возрастания диффузионной составляющей тока). Температур­ный коэффициент напряжения из близок к температурному коэффициенту напряжения обычных германиевых диодов, включенных в прямом направлении.

Что касается туннельных диодов на основе кремния и интер­металлических соединений, то отсутствие достаточного количе­ства опубликованных данных по исследованию температурных зависимостей параметров не дает возможности в настоя­щий момент сделать обобщающие выводы и установить зако­номерности. Однако качественные предположения об этих за­висимостях могут быть сделаны на основе зонной структуры этих полупроводников. Так, зависимость тока максимума от температуры туннельных диодов из интерметаллических соединений будет по характеру подобна этой зависимости у германиевых диодов, так как в этих соединениях предпола­гаются прямые туннельные переходы (без взаимодействия электрона с решеткой). В кремнии, где туннельные переходы не прямые (с определенным взаимодействием электрона с ре­шеткой), при увеличении температуры будет наблюдаться рост тока максимума. Можно с уверенностью сказать, что экспе­риментальные данные по этим материалам, которые, вероят­но, будут опубликованы в ближайшее время, позволят уста­новить характер температурных зависимостей основных па­раметров туннельных диодов из этих полупроводников.

Использованная литература.

1. “Туннельные диоды и их применение”, Р.В. Гострем, Г.С. Зиновьев, Новосибирск 2003.

2. “Полупроводниковые диоды. Параметры, методы измерений”, под ред. Н.Н. Горюнова, Ю.Р. Носова, изд. «Совестское радио», 1998.

3. “Радиотехнические схемы на транзисторах и туннельных диодах”, под ред. Р.А. Валитова, М., «Связь», 1995.

4. “Импульсные преобразователи и стабилизаторы постоянного напряжения”, Ф.И. Александров и А.Р. Сиваков, изд. «Энергия» Ленинградское отделение, 1998.

5. “Физика полупроводниковых приборов”, Г.А. Розман, Псков 2001.