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 6·1019см−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 u1xR, 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.
