Полупроводниковые приборы
| Загрузить архив: | |
| Файл: 240-0247.zip (33kb [zip], Скачиваний: 80) скачать |
Комитет по высшей школе
КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ (КубГУ)
кафедра физики полупроводников
Допустить к защите в ГЭК
"..."............1996 г.
Заведующий кафедройпрофессор
Муравский Б.С.
Д И П Л О М Н А Я Р А Б О Т А
"ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛЬТАМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ И СЛОИСТЫХ
СТРУКТУР"
Проект выполнил дипломник Калугин Валентин Лайошевич
Группа ......факультет физический специальность 01.04.
Руководитель работ ...........профессор Муравский Б.С.
Нормоконтролер .................доцент Жужа М.А.
Краснодар 1996.
В В Е Д Е Н И Е
Современные условияжизни требуют от студентов хорошую тео-
ретическую подготовку и, что особенно важно, практические знания
и умения - столь необходимые в рыночной экономике.Студент умею-
щий работать со сложными приборами и установками,самостоятельно
изучать научнуюлитературуи делать необходимые выводы,имеет
значительные шансы на успех в своей деятельности.
Важное место в подготовке квалифицированных специалистов от-
водится лабораторному эксперименту, который является одной из ос-
новных форм самостоятельной работы студентов.Главная роль лабо-
раторных работ заключается в том, что студенты сталкиваются с ре-
альными задачами и проблемами, учатся практически оценивать полу-
ченные результаты.
_Цель дипломной работы. поставить лабораторную работу исследо-
вательского характера и разработать методикуее выполнениядля
практикумапофизике полупроводниковых приборов с исследованием
вольт-амперных характеристик не только ставшихшироко известных
полупроводниковых приборов диодов и транзисторов,но и абсолютно
новых приборов разработанных и исследуемых на кафедре - ТУННЕЛИС-
ТОР и БИСПИН.
Изучение новых,не описанных в широкойнаучной литературе
полупроводниковых структур должно стимулировать студента к самос-
тоятельной и вдумчивой работе изаставить серьезно вникнутьв
суть происходящих явлений внутри кристаллов.
Дополнительная цель данной работы - это составление теорети-
ческойи практической части лабораторного эксперимента доступным
языком без изобилия сложных техническихтерминов, что позволит
сделать работу легко читаемой и доступной для понимания.
1.ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ
ПРИБОРОВ И МЕТОДЫ ИХ ИЗМЕРЕНИЯ.
С момента изобретения полупроводниковых приборов, они нашли
широкое применение в самой разнообразной аппаратуре.Это связано
с их преимуществами перед вакуумнымилампами, отсутствиецепей
накала, миниатюрное конструктивное оформление, высокая механичес-
кая прочность и практически мгновенная готовность кработе, что
позволилокоренным образом изменить внешний облик и функциональ-
ные возможности аппаратуры.
Дальнейшее развитие полупроводниковой электроники пошло дву-
мя путями:
- попути интеграции дискретных активных и пассивных элементов в
одной гибридной или монолитной схеме;
- попутисоздания принципиально новых полупроводниковых прибо-
ров,которые заменяют целые узлы в радиоэлектронной аппаратуре,
чтомногократно уменьшает ее вес,габариты и увеличивает надеж-
ность.
В настоящее время создано огромноеколичествоинтегральных
схем и исследовать их характеристики просто не имеет смысла,так
как обычно серьезные производителиприлагают ксвоимизделиям
подробные описания, но основные элементы микросхем не так много-
численны.Это диоды, стабилитроны, стабисторы, туннельные диоды,
диоды с баръером Шоттки, полевые и биполярные транзисторы, тирис-
торы и семисторы, варикапы.Благодарянаучно-исследовательской
работе сотрудников КубГУ появились новые полупроводниковые струк-
туры: ТУННЕЛИСТОР и БИСПИН.[1,2]
Из учебников по физике полупроводников /3/ нам известно, что
каждый полупроводниковыйприборили структура должна обладать
своими специфическими характеристикамиблагодаря которымтакие
приборы возможно использовать для построения радиоэлектронной ап-
паратуры. Важнейшими параметрами диодов используемых в аппаратуре
дляполученияпостоянных токов является прямой и обратный токи.
Прямой ток можно измерить по схеме приведенной на рис.1а. К диоду
приложенопрямое напряжение Миллиамперметр измеряет
прямой ток диода Резистор защищает миллиамперметрот
перегрузки при подключении неисправного (пробитого) диода.
Измерение обратноготока производится по схеме изображенной
на рис.1б. Источник создает на диоде обратное напряжение
. Микроамперметр защищен от перегрузки ограничительным резис-
тором . Обычно обратный ток измеряется при максимально допусти-
момнапряжении для данного типа диода (можно узнать в справочни-
ке). Далее, если плавно изменять прямое или обратное напряжение и
записывать данные миллиаперметра,можно построить график зависи-
мости прямого и обратного тока через диод от приложенногонапря-
жения.Такой график, как известно, называется вольт-амперной ха-
рактеристикой (сокращенно ВАХ). График зависимости тока от прило-
женногонапряжения является важнейшей характеристикой по которой
сравниваются отдельные полупроводниковые приборы.Качество диода
можно охарактеризовать также его коэффициентом выпрямления:
(1.1)
При комнатнойтемпературе коэффициент выпрямления достигает
нескольких тысяч, причем у кремниевых диодов он больше,чему
германиевых.
Основные параметры биполярныхтранзисторовможно измерять
аналогичным способом.
Обратный ток коллектора транзистора структуры p-n-p измеря-
ется по схеме рис.2а., а структуры n-p-n по схеме рис.2б. Обрат-
ное напряжение от источника приложено к коллекторному переходу
транзистора ,эмиттер которого остается свободным. Протекающий
через переход обратный ток коллектора измеряется микроампер-
метром, защищеннымот перегрузок ограничительным резистором .
При комнатных температурах обратный ток непревышает нескольких
микроампер у маломощных и десятков микроампер у мощных. Начальный
ток коллектора измеряется с помощью схем рис.2 в,г. Между базой и
эмиттером транзистора включается резистор ,сопротивление
которого выбирается в пределах 500-1000 Ом для маломощныхи0-2
Ом для мощных транзисторов. Измеряемый микроамперметром , ко-
торый защищен от перегрузок ограничительнымрезистором ,на-
чальный ток коллектора маломощных транзисторов при комнатных
температурах составляет единицы, а мощных - десятки микроампер.
Статическим коэффициентомпередачи токавсхеме с общим
эмиттером называется отношение постоянного тока коллектора к
постоянномутоку базы при заданных постоянном обратном напря-
жении коллектор-эмиттер и токе эмиттера в схеме собщим эмитте-
ром:
(1.2)
Приближенное значение статического коэффициента передачи то-
ка можно измерить с помощью простых схем рис.2д,е.Если пренеб-
речь малым прямым сопротивлением эмиттерного перехода транзистора
по сравнению с сопротивлением резистора в цепи базы,то ее
ток равен , и статический коэффициент передачи тока:
(1.3)
где - сопротивление резистора в цепи базы, кОм;
- ток коллектора,mA;
- напряжение источника питания, В
Таким образом, показания миллиамперметра пропорциональны
статическому коэффициенту передачи тока.
При рассмотрении работытранзисторанеобходимо учитывать,
чтосуществуютидеализированные и реальные статические характе-
ристики.
При рассмотрении идеализированной модели транзистора идеали-
зация заключается в том, что модель транзистора считается одно-
мерной,когдавысота базового перехода гораздо меньше величины
квадратного корня из площади сечениятранзистора, т.е.размеры
транзистора в направлениях,перпендикулярных главной оси,много
больше толщины базы. В этом случае можно предположитьдвижение
носителей только вдоль главной оси без отклонения в стороны. Иде-
ализация заключается также в том, что не учитываютя объемные соп-
ротивления слоев.
Рассмотрим формулы Молла-Эберса,которые,несмотря наих
приближенность, очень полезны для анализа статических режимов ра-
боты транзистора, так как хорошо отражают основныеособенности
транзисторов при любых сочетаниях напряжений на переходах [4].
Приступая к выводу основных характеристик, пренебрежемэф-
фектом модуляции толщины базы вместе с его следствиями. Тогда для
транзистора можно принять такую эквивалентную схему,которая по-
казана на рис.3. Здесь каждый из переходов изображен в виде дио-
да,а взаимодействие их отражено генераторами токов. Так,если
эмиттерныйпереход открыти через него протекает ток, то в
цепи коллектора будет протекать несколько меньший ток, т.к. часть
инжектированных носителейрекомбинирует.В общемслучае токи
эмиттера и коллектора складываются из двух компонентов:инжекти-
руемого ( или ) и собираемого ( или ):
(1.4);
(1.5).
Связь инжектируемых компонентов с напряжениями на переходах
такая же, как и в отдельном диоде и выражается формулой:
(1.6);
(1.7)
где и - тепловые токи эмиттерного и коллекторногодио-
дов (при ).Их можно выразить через такие величины, кото-
рые обычно задаются в технической документации натранзистор, а
именно через токи и , измеряемые при обрыве соответственно
коллектора и эмиттера.
Из формулы(1.7)при получаем ;из формулы
(1.5) при получаем , Подставляя эти значения в
(1.5) и полагая, что , получаем:
(1.8)
Обозначив ток эмиттера прибольшомотрицательном смещении
( )и оборванномколлекторечерез (тепловой ток
эмиттера), аналогичным путем получим:
(1.9)
Подставив токи и из (1.6) и (1.7) в соотношения (1.4)
и (1.5), найдем зависимости и , т.е. статичес-
кие вольт-амперные характеристики транзистора:
(1.10)
(1.11)
Запишем еще ток базы, равный разности токов и :
(1.12)
Формулы Молла-Эберса (1.10 - 1.12) приближены, но очень по-
лезны при анализе статических режимов работы транзисторов.Необ-
ходимо уточнить, что количественные расчеты по формулам (1.10-
1.12)в случае кремниевых транзисторов дают значительную погреш-
ность,так как обратные токи укремниевыхтранзисторов нельзя
считать тепловыми.
1.1 Идеализированные статические вольт-амперные ха-
рактеристики транзисторов.
Если наp-n переходе является заданной величиной эмиттерный
ток, а не эмиттерное напряжение, то выражая двучлен
из формулы (1.10) и подставляя его в (1.11), получаем:
(2.1)
Это выражениепредставляет собой семейство коллекторных
с параметром [4]. Такое семейство изображено на рис.4а.
Семейство эмиттерных характеристик с параметром получа-
ется из выражения (1.10), если разрешить его относительно . Ис-
пользуя соотношение
(2.2)
получаем:
(2.3)
Эмиттерное семейство характеристик показано на рис.4б.
Из рисунка4аясно видно два резко различных режима работы
транзистора: активный режим, соответствующий значениям и ре-
жим насыщения, соответствующий значениям . Для активного ре-
жима формулы (2.1) и (2.3) переходят в следующие:
(2.4)
(2.5)
Характеристики на рис.4а являются эквидистантными,т.к. при
построении параметр принят постоянной величиной.
В характеристиках эмиттерного семейства (рис.4б)криваяс
параметром являетсяобычной диодной характеристикой.При
значениях кривые сдвигаются вправо и вниз в связи с нараста-
ниемэмиттерного тока.При значениях кривые очень незначи-
тельно смещаются влево и вверх.
1.2 Реальные статическиевольт-амперныехаракте-
ристики транзисторов.
В формулахМолла-Эберсане учитывается целый ряд факторов,
таких,как эффект Эрли (зависимость толщины базы от ),пробой
перехода, зависимость от тока и пр.Поэтому характеристики на
рис.4 в значительной степени идеализированны. Реальные коллектор-
ные и эмиттерные характеристики показаны на рис.5.
Кривые коллекторного семейства имеют конечный, хотя и очень
небольшой наклон, который в области, близкой к пробою, резко уве-
личивается. Расстояние междукривыминемного уменьшаетсяпри
больших токах из-за роста тока .
В активном режиме можно характеризовать коллекторное семейс-
тво соотношением:
(2.6)
Кривые эмиттерного семейства образуют довольно плотный "пу-
чок" (рис.5б),потомучто влияние коллекторного напряжения на
эмиттерное очень мало. При нагреве кривые смещаются влево в об-
ластьменьшихнапряжений. Придостаточно большом токе входные
вольт-амперные характеристики деформируются.
На кафедрефизики полупроводников КубГУ на базе МТОП-струк-
туры был разработан новый полупроводниковый прибор -ТУННЕЛИСТОР
- твердотельный функциональный генератор электрических колебаний.
В основе его работы лежит явление поверхностно-барьерной неустой-
чивости тока (сокращенно ПБНТ).[5,6]
Прибор ТУННЕЛИСТОРпредставляет собой полупроводниковую
пластинку, имеющую омический контакт с нанесенным на нее активным
контактом металл-тунельно прозрачный окисел полупроводник,кото-
рый,для краткости, в соответствии с его назначением - эмиттиро-
вать электроны из ПС и металла - назван эмиттером.На противопо-
ложной стороне пластины на расстоянии, меньшем диффузионной длины
неосновных носителей, создается плоскостной p-n - переход, кото-
рыйв соответствии с его назначением поставлять неосновные носи-
тели в базу назван инъектором.Площадь инъектора на один-два по-
рядка больше площади эмиттера (рис.6,7)
2. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ПРИБОРЕ ТУННЕЛИСТОР.
Контакт металл-полупроводник является обязательным элементом
всех полупроводниковых приборов и устройств и может использовать-
ся для двух различных целей;во-первых, как омическийконтакт,
во-вторых,как активный элемент различных полупроводниковых при-
боров - точечно-контактныхиповерхностно-барьерныхдиодов и
транзисторов, приборов с барьером Шоттки и т.д. Остановимся под-
робней на своеобразных явлениях, происходящих в этих контактах.
2.1. Идеальный контакт металл-полупроводник [7].
Пусть имеются образцы металла и полупроводникаn - типа с
плоскими поверхностями. При этом уровень Ферми в полупроводни-
ке может лежать как выше, так и ниже уровня Ферми вметалле
(на рис.8 ).
Приведем образцы в идеальный (т.е.без зазора и слоя окисла
между ними) контакт. Если , то электроны в первый момент по-
текут преимущественно из полупроводника в металл. Металл зарядит-
ся отрицательно, а полупроводник - положительно, в результате че-
го возникает контактная разность потенциалов Uки электрическое
поле, препятствующее переходу электронов из полупроводника в ме-
талл.Избыточный поток электронов будет иметь место до тех пор,
пока уровни Ферми в металле и полупроводнике не выравняются, и не
установится динамическое равновесие,характеризуемоеравенством
токов эмиссии:
(2.1)
следовательно, контактная разность потенциалов определяется выра-
жением:
(2.2)
где и термодинамические работы выхода электрона изметалла
и полупроводника, определяемые как .
Контактная разностьпотенциалов полностью падает на прикон-
тактной области полупроводника,так как в металлэлектрическое
полепрактически не проникает из-за высокой концентрации носите-
лей.
Напряженность электрического поля в поверхностном слоепо-
лупроводника непревышает 10в/см, а напряженность поля ионов
кристаллической решетки составляет 10в/см. Поэтомуконтактное
полене в состоянии изменять ширину запрещенной зоны полупровод-
ника, зато обуславливает появление в его приконтактном слое изги-
ба энергетических зон на величину , причем в случае зо-
ны будут искривлены кверху, (рис.9,а) При этом приконтактный слой
обогатится дырками. Этот обогащенный неосновными носителями слой
с пониженной удельной проводимостью называется запирающим.
В полупроводнике p - типа он возникает при (рис. 9,б)
В случаях контакта металл-полупроводникn - типа при
и контакта металл-полупроводник p - типа при
(рис.9,в,г) приконтактная область обогащается основныминосите-
лями и образуется слой с повышенной удельной проводимостью, кото-
рый называется антизапирающим.
Выясним, откаких параметров зависит толщина приконтактного
слоя,т.е.глубина проникновения контактного поля в полупровод-
ник.
Предположим, чтоэлектрическое поле проникает в полупровод-
ник на некоторую глубину .В приконтактнойобластиэнергия
электронов на дне зоны проводимости равна:
(2.3)
объемный заряд в приконтактной области определяется выражением:
(2.4)
Поскольку вся контактная разность потенциалов падает на при-
контактной области полупроводника, можно считать, что
(2.5)
В этом случае выражение (2.4) принимает вид:
(2.6)
Это означает,что на расстоянии, на которое проникает поле, из
электронного полупроводника свободные электроны вытесняются,и в
этой зоне остается положительный заряд, определяемый концентраци-
ей ионов примеси.
Для области объемного заряда уравнение Пуассона с учетом (2.6)
имеет вид:
(2.7)
Общее решение этого уравнения:
(2.8)
Так какполепроникает в полупроводник только на глубину, то
уравнение (2.8) должно удовлетворять граничным условиям:
(2.9)
С учетом (2.9) находим:
(2.10)
Следовательно, в приконтактной области электростатический потен-
циал в зависимости от координаты меняется следующим образом:
(2.11)
Для определениявеличины используем граничные условия в
точке :
(2.12)
Это уравнение позволяет получить из уравнения (2.11) значение глу-
бины проникновения поля:
(2.13)
Из полученной формулы следует: чем меньше концентрация носи-
телей заряда в полупроводнике (т.е.степень его легирования)и,
чем больше разность работ выхода электронов из металла и полупро-
водника, тем больше глубина проникновения в полупроводниик элект-
рического поля, вызванного контактной разностью потенциалов.
2.2. Реальный контакт металл-полупроводник.
Все вышеприведенные рассуждения справедливы для случая, ког-
да поверхностные концентрации носителей зарядав полупроводнике
не отличаются от объемных.В то же время само наличие поверхнос-
ти,т.е.обрыва межатомных связей в некоторой плоскости,можно
рассматривать как двумерный дефект кристаллической решетки полуп-
роводника.Еще в
риодического потенциала кристалла на поверхности допускает допол-
нительные решения уравнения Шредингера для электрона в кристалле,
которые быстро затухают при удалении от поверхности.Это означа-
ет, что даже на идеальной, незагрязненной поверхности полупровод-
ника существуетсвойспектр локальныхэнергетических уровней
(уровней Тамма), причем некоторые из них лежат в запрещенной зоне
и выполняют роль ловушек. Кроме того, на поверхности полупровод-
ника в реальных условиях всегда образуется слой окисла и адсорби-
руется чужеродные атомы. Это приводит к появлению дополнительных
энергетических уровней на поверхности. Таким образом, на реальной
поверхности полупроводника всегда имеется спектр локальных уров-
ней,и его наличие существенно влияет на происходящие на поверх-
ности процессы.
Поверхностные уровни-ловушки находятся в запрещенной зоне, и
попавшиев них электроны не могут проникнуть в глубь кристалла и
локализуются на расстоянии одной-двух постоянных решеткиотпо-
верхности. Появлениеизбыточногоотрицательного заряда поверх-
ностных уровней (состояний) приводит к возникновениювблизи по-
верхности полупроводника нескомпенированного положительного заря-
да. Следовательно, на свободной поверхности полупроводника еще до
контакта с металлом возникает искривление зон, и образуется запи-
рающий (рис.10,а) или антизапирающий (рис.10.б) слой.
Аналогичная картинаимеетместо и при преобладании на по-
верхности полупроводника не электронных, а дырочных ловушек, при-
чем в случае полупроводника n - типа - антизапирающим.
Вследствии этого в реальныхконтактахметалл-полупроводник
высота барьера может совершенно не зависеть от работы выхода
электронов из металла.
Высота барьера на свободнойповерхностиопределяется
плотностью поверхностных состояний.Экпериментальные подтвержде-
ния этого впервые были получены в 1947 году Бардиным,а теорети-
ческие исследования проведены Таммом и Шокли.Высота барьерав
этих условиях определяется равенством нулю полного заряда в при-
поверхностном слое и на поверхностных состояниях.
При контактеполупроводника n - типа с металлом при условии
высота барьера увеличивается,а число электроновна
поверхностиуменьшается (рис.11,а) И наоборот,при
высота барьера уменьшается,а число электронов наповерхностных
состояниях увеличивается (рис.11,б). Однако при большой плотности
уровней на поверхности эти изменения высоты барьера будутнезна-
чительны ( ).
Рассмотрим протекание тока через такой контакт.
При наличии толстого изолирующего слоя окисла между металлом
и полупроводником приложенное напряжениев основномпадаетна
нем.Однаков выпрямляющих контактах этот диэлектрический зазор
настолько тонок, что является прозрачным для электронов. Поэтому
основное сопротивление для тока представляет запирающий слой,и
почти всё внешние напряжение падает на этом слое.Это означает,
что скачок уровня Ферми находится именно в приконтактном слое по-
лупроводника,а положение уровня Ферми на самой поверхности и в
металле практически совпадают (рис.12).
Так как заряд на поверхностных состояниях при протекании то-
ка заметно не изменяется, то высота барьера для электронов, иду-
щих из металла в полупроводник при включении внешнего напряжения,
также остается постоянной. Поэтому теория выпрямления применима к
любым контактам, независимо от того, создан запирающий слой кон-
тактной разностью потенциалов или зарядом,локализованных на по-
верхностных состояниях. Разница лишь в том, что высота барьера в
первом случае равна разности термодинамических работ выхода, а во
втором определяется положением поверхностныхуровней назонной
диаграмме.
Итак, в реальном выпрямляющем контактеметалл-полупроводник
контактная разность потенциалов падает на зазоре (слое
окисла),а приложенное напряжение - на запирающем слое полупро-
водника.
2.3. Неустойчивость тока в транзисторной структуре
с контактом металл-полупроводник.
В современной твердотельной электронике используются вка-
честве активных элементов два типа контактов - контакт металл-ди-
электрик-полупроводник с толстым ( с непрозрачнымдля электоро-
нов) слоем окисла, применяемый в МДП-транзисторах, и контакт ме-
талл-полупроводник с барьером Шоттки - вкачестве выпрямляющего
устройства. В диодах Шоттки между металлом и полупроводником тоже
существует весьма тонкий (около 1,5 нм) слойокисла, прозрачный
для электронов. Именно в такой структуре было впервые обнаружено
явление поверхностно-барьерной неустойчивости тока (ПБНТ).
Промежуточное положениемеждудвумя вышеназванными типами
контактов занимает контакт металл-туннельно прозрачныйокисел-
полупроводник (МТОП-контакт),толщина слоя окисла в котором сос-
тавляет 2-3 нм. Именно благодаря контакту металл-туннельно проз-
рачныйокисел- полупроводник на кафедре полупроводников КубГУ
был создан функциональный поверхностно-барьерный генератор - ТУН-
НЕЛИСТОР [8].
На рисунке 13 изображена энергетитческая диаграмма генера-
тора.Генератор состоит из транзисторной структуры с поверхност-
но-барьерным переходом и с p-n-переходом.
Принцип действия заключается в следующем: вероятностьтун-
нельного перехода электрона с некоторого акцепторного поверхност-
ного уровня, контролирующего высоту барьера определя-
ется толщиной барьера на высоту этого уровня. С ростом подаваемо-
го на образец напряжения, толщина барьера на высоте акцепторного
поверхностного уровня уменьшается, т.к. происходит более сильное
искривление энергетической зоны в приповерхностной области, и при
некотором значении и соответствующим ему значени-
ем может наблюдаться значительная эмиссия электроновс
поверхностных центров в зону проводимости полупроводника.
Если эффективное время туннельного перехода туннеля с уровня
в зону проводимости полупроводника , больше, чем времязахвата
электронов на поверхностныеуровни , то высота барьера остает-
ся неизменной, через образец будет идти ток, обусловленный тун-
нельной эмиссией.Неустойчивость тока в этом случае наблюдаться
не должна.Если же эффективное время туннельного перехода меньше
времени захвата, т.е. процесс туннельной эмиссии с поверхностных
центров преобладает над процессом захвата электронов на эти цент-
ры, то барьер понизится /штриховая линия на рис. 14./ вследствие
уменьшения отрицательного поверхностного заряда,аэто, всвою
очередь,вызовет более интенсивную эмиссию электронов из металла
в полупроводник. Если образец включен в цепь генератора тока, то
увеличениетока вызовет уменьшение поля в поверхностно-барьерном
переходе.
Поверхностные состояния,возвращаяськ равновесию,вновь
захватывают электроны, восстанавливая барьер.Полевпереходе
возрастает до критического, и процесс повторяется. В образце воз-
никает неустойчивость тока.
Если уровни размыты в зону,то колебания будут наблю-
даться в некотором интервале значений . Если же имеетсядиск-
ретный ряд значений ,то ему будет соответствовать дискретный
ряд значений критических напряжений .
Время спада релаксационного всплеска и сам процесс существо-
вания колебаний существенно зависит от темпа рекомбинации,опре-
деляемого избыточнойконцентрациейдырок и величиной ,
т.к.после эмиссии электронов из металлического контактабудут
протекать два конкурирующих процесса:повторный захват электро-
нов на поверхностные состояния и рекомбинация вприповерхностном
слое.Вслучае жепреобладания рекомбинации над захватом (при
значительном увеличении ) ток скачкомдостигаетмаксимального
значения, и колебания срываются.
Описанная выше качественная модель справедлива ввиду наличия
на поверхности полупроводника стабилизированного тренировкой слоя
окисла, затрудняющего эмиссию электронов в полупроводник и захват
их на быстрые состояния непосредственно из металла.
Экспериментально наблюдаемое влияние p-n-переходана пара-
метры колебаний можно объяснить следующим образом.При "оборван-
ной" цепи Р-области перехода экстракции дырок из базычерезпо-
верхностно-барьерный переходсоздаетотрицательный градиент их
концентрации вдоль всей базы,что нарушает равновесиедырочных
потоков мужду n- и p-областями p-n-перехода и создает неуравнове-
шанный поток достаточно "энергичных" дырок из p-областивбазу.
P-область заряжается отрицательно и высота потенциального барьера
уменьшается (штрихпунктирная линия рис.13 ) Этому способствует и
падение напряженияна распределенном сопротивлении базы.Поток
дырок из p-области в базу возрастает.Ввиду малой эффективности
ПБПдырки аккумулируются вблизи поверхности.В результате часть
отрицательного заряда поверхностных состоянийкомпенсируетсяне
ионизированными донорами, а аккумулируемыми дырками, что приводит
к уменьшению толщины барьера x, локальному усилению поля и сниже-
нию критического напряжения возбуждения колебаний.При малых ве-
личинах резистора R концентрация дырок в базе возрастает иколе-
бания срываются. Таким образом, резистором устанавливается оп-
тимальное для существования неустойчивости значения .
3.СЕМЕЙСТВА ВОЛЬТ-АМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
ПРИБОРОВ ТУННЕЛИСТОР и БИСПИН [9].
Для снятия вольт-амперных характеристик (ВАХ) БИСПИНа и ТУН-
НЕлИСТОРа был использован характериограф TR-4802.Для электродов
БИСПИНа и ТУННЕЛИСТОРа, имеющих схожее функциональное назначение
введены следующие буквенные обозначения:С- p-область, В- n-об-
ласть (база), А- область - генерирующий контакт. Там же обозначе-
ны знаками:
- ступенчатоеизменениепараметрического тока в положи-
тельную сторону,
- в отрицательную сторону,
- положительное или - отрицательное напряжение
развертки на электродах измерительного прибора.
3.1. Семействовольтамперных характеристик прибо-
ров включенных по схеме с общим В-электродом (базой)
Представленные в этом разделе семейства ВАХ исследуемых при-
боров получались при включении их по схеме собщим В-лектродом.
При этом на электроды А и С поочередно подавались напряжение раз-
вертки и ступенчатый параметрический ток разной полярности.
На рис.14 изображена блок-схема измерения (а), характерис-
тики БИСПИНа (б) и ТУННЕЛИСТОРа (в)зависимости Iсв=F(Uсв)при
-Iав=CONST и следующих режимах
-БИСПИНа: Uсв=0,5 в/см,Iсв=0,5 мА/см,Rн=200 Ом, Iав=0,5
мА/ступ.
Верхняя ВАХ соответствует Iав=3мА
-ТУННЕЛИСТОРа: Uсв=0,5 В/см,Iсв=0,5 мА/см,Rн=1 кОм, Iав=0,5
мА/ступ.
Верхняя ВАХ соответствует Iав=3 мА.
Как видим из рисунка семейства ВАХ исследуемых приборов ка-
чественнонеотличаются и представляют собой характеристику p-n
-перехода, сдвигаемую вверх вдоль оси токов под воздействием па-
раметрического тока.Ток,текущий в обратном направлении через
активную А-область приводит к возникновению неустойчивости тока в
этойобласти/6/. Неустойчивостьмодулируетхарактеристики
p-n-перехода БИСПИНа и ТУННЕЛИСТОРа.Необходимоотметить, что
крутизна характеристик БИСПИНа при равных условиях больше крутиз-
ны характеристик ТУННЕЛИСТОРа.При указанных режимах на ВАХ ТУН-
НЕЛИСТОРа наблюдаются колебания (нечеткие характеристики).Неус-
тойчивость на БИСПИНе при этой блок-схеме можно получить, изменив
режим: Uсв=0,1В/см; Iсв=10 мкА/см; Rн=10 кОм; Iав=50-70 мкА, т.е.
в микрорежиме,при величинах тока на порядок меньших, чем у ТУН-
НЕЛИСТОРа.
При включении исследуемых приборов поблок-схемерис.15,а
получим семейства ВАХ БИСПИНа (рис.15,б)иТУННЕЛИСТОРа
(рис.15,в) в виде зависимостей Iсв=F(Uсв) при Iав=CONST ирежи-
мах измерений
-БИСПИНа: Uсв=0,5 В/см,Iсв=0,5 мА/см,Rн= 1 кОм, Iав=0,2
мА/ступ.
-ТУННЕЛИСТОРа: Uсв=0,2 В/см;Iсв=0,2 мА/см;Rн= 1 кОм, Iав=0,2
мА/ступ.
В отличие от предыдущей схемы включения, ВАХ обоих приборов,
представляющие прямую ветвь p-n-перехода,при возрастании абсо-
лютной величины параметрического тока сдвигаютсяв сторонуоси
отрицательных токов и положительных напряжений, что особенно наг-
лядно видно на примере ВАХ БИСПИНа.Незначительное влияние пара-
метрического токанаВАХ ТУННЕЛИСТОРа объясняется очень малым
сопротивлением А-области прямому току. Неустойчивости тока в обо-
их приборах не возникают. Рассмотренное включение приборов позво-
ляет использовать их в стабилизаторах и регуляторах напряженияи
тока, выпрямителях.
Поменяв одновременно полярностиисточникапараметрического
токаи источника напряжения в соответствии с блок-схемой измере-
ний,изображенной на рис.16.а, получим ВАХ БИСПИНа (б) и ТУННЕ-
ЛИСТОРа (в) в зависимости -Iсв=F(-Uсв) при -Iав=CONST. Режимы из-
мерений
-БИСПИНа: Uсв=-1 В/см; Iсв=50 мкА/см; Rн=5 кОм, Iав=0,05
мА/ступ.
Правой ВАХ соответствует Iав=5 мА.
-ТУННЕЛЛИСТОРа: Uсв= -2В/см,Iсв=1 мА/см,Rн=5кОм, Iав=2
мА/ступ.
Правой ВАХ соответствует Iав=5 мА.
Сдвиг характеристик в сторону отрицательных токов обусловлен
запиранием p-n-перехода прикладываемым к нему обратным напряжени-
ем Uсв. В обоих прииборах возникает неустойчивость тока, парамет-
ры колебаний которой регулируются величиной параметрического тока
через А-область. Возможно использование приборов в качестве гене-
раторов сигналов специальной формы.
Изменение направления параметрического тока в соответствии с
блок-схемой измерений, изображенной на рис.17,априводит кВАХ
БИСПИНа(б)и ТУННЕЛИСТОРа(в),соответствущихзависимостей
-Iав=F(-Uав) при Iсв=CONST, при следующих режимах измерений:
-БИСПИНа: Uсв=-0,5 В/см;Iав=0,2 мА/см;Rн=1кОм,
Iсв=0,2 мА/ступ.
Верхней ВАХ соответствует Iав=2 мА.
-ТУННЕЛЛИСТОРа: Uсв= -0,5 В/см,Iав=0,1 мА/см,Rн=1кОм,
Iсв=5 мА/ступ.
Верхней ВАХ соответствует Iав=50 мА.
Полученные характеристикипредставляют собой обратную ветвь
p-n-перехода, смещенную вдоль оси токов под воздействием парамет-
рического тока через А-область и похожи на выходные характеристи-
ки транзистора в схеме с общей базой при инверсном включении. Бо-
лее сильное влияние параметрического тока на характеристики БИС-
ПИНа объясняются большим прямым сопротивлением А-области.
Подключая А-областьприборов к источнику напряжения,p-об-
ласть (электрод С) -кгенератору токасогласноблок схеме
рис.18,а, получим ВАХ БИСПИНа (б) и ТУННЕЛИСТОРа (в), соответс-
твующих зависимости -Iав=F(-Uав) при Iсв=CONST, при следующих ре-
жимах измерений
-БИСПИНа: Uсв=-0,5 В/см;Iав=0,1 мА/см;Rн=2кОм,
Iсв=20 мкА/ступ.
-ТУННЕЛЛИСТОРа: Uсв= -0,5 В/см,Iав=0,1 мА/см,Rн=5кОм,
Iсв=50 мкА/ступ.
Поскольку генератор параметрического тока подключенк
p-n-переходу в прямом направлении, а источник напряжения разверт-
кикА-области в обратном,в приборах возникает неустойчивость
тока.Наблюдаются N-образные характеристики А-области, сдвинутые
вдоль оси токов. Управление параметрами неустойчивости тока можно
осуществлять изменением напряжения Uав или тока Iсв. Данная схема
включения обеспечивает устойчивую работу приборов в микрорежиме.
Приведенная на рис.19,а блок-схема включения позволяет по-
лучить ВАХ (б) БИСПИНа (пунктирная) и ТУННЕЛИСТОРа (сплошная) со-
ответствующие зависимости Iав=F(Uав) при Iсв=CONST.и режиму из-
мерений:
БИСПИНа и ТУННЕЛИСТОРа: Uав=1В/см; Iав=0,5 мА/см; Rн=500 Ом.
При таком подключении получаемхарактеристикуА-области
(n-p-n структуры) БИСПИНа и характеристику контакта металл-тонкий
окисел-полупроводник ТУННЕЛИСТОРа. При изменении величины Iсв ВАХ
приборов практически не изменяются. Неустойчивость тока не наблю-
дается.Такое подключение приборов может использоваться в схемах
стабилизаторов напряжения,ограничителях, переключающих устройс-
твах.
Включение по блок-схеме,изображенной на рис.20,а, приводит
к ВАХ БИСПИНа (б) и ТУННЕЛИСТОРа (в), которые соответствуют зави-
симости -I=F(-Uав) при -Iсв=CONST. снятымпри следующих режимах
измерения:
-БИСПИНа: Uав= -2В/см;Iав=1 мА/см; Rн=200 Ом,
Iсв= 0,2 мА/ступ.
Левая характеристика соответствует Iсв=1,0 мА.
-ТУННЕЛЛИСТОРа: Uав= -2 В/см, Iав=1 мА/см, Rн=200
Ом, Iсв=0,2 мА/ступ.
Левая характеристика cоответствует Iсв=1,0 мА.
При рассматриваемых режимах работы приборов, на ВАХ наблюда-
ются S-участки с ярко выраженной неустойчивостью тока.В БИСПИНе
неустойчивость тока возникает при снижении Icв до 50 мкА/ступ.
Приборы, включенныепо данной блок-схеме могут быть исполь-
зованы в качестве генератора сигнала специальной формы и управля-
емых переключателей.
ВАХ зависимостиIав=F(Uав)при -Iсв=CONST., снятые по
блок-схеме рис.21,а,изображенына рис.21,б для БИСПИНа и на
рис.21,в для ТУННЕЛИСТОРа. Режимы измерений:
-БИСПИНа: Uав=1 В/см;Iав=0,5 мА/см;Rн=500 Ом,
Iсв=20 мА/ступ.
Левая характеристика соответствует Iсв=200 мА.
-ТУННЕЛЛИСТОРа: Uав= 2 В/см,Iав=1 мА/см,Rн=50 Ом,
Iсв=10 мкА/ступ.
При такой схеме измерения А-область оказывается включенной в
прямом направлении,а p-n переход будет заперт.Это приводит к
модуляции внутреннего сопротивления А-области параметрическим то-
ком.Однако,необходимо отметить, что при изменении Iсв от 0 до
120 мА ВАХ меняется слабо, о чем свидетельствует яркая вертикаль-
наяхарактеристика на семействе ВАХ (рис.21,б).При дальнейшем
увеличении абсолютной величины параметрического тока, ВАХ сдвига-
ются влево,в сторону уменьшения напряжения.Крутизна ВАХ может
изменяться в зависимости от величины сопротивления нагрузки.
ВАХ ТУННЕЛИСТОРа состоит из двух участков - нелинейного, со-
ответствующего прямой ветви контакта металл-тонкийокисел-полуп-
роводник,и линейного,относящегося к режиму полностью открытой
А-области.При возрастании параметрического тока точка перегиба
ВАХ смещается вправо вверх.Неустойчивость тока при этом не воз-
никает.
Таким образом, при включении исследуемых приборов по схеме с
общим электродом В и при подаче на электрод А отрицательного нап-
ряения,независимо от полярности подключения или рода источника,
с которым соединен контакт С (p-область), в БИСПИНе и ТУННЕЛИСТО-
Ре возникает неустойчивость тока, управление характеристиками ко-
торой может осуществлятся величинойприкладываемогонепосредс-
твеннок контакту А напряжения или протекающего через него тока,
а также величиной напряжения и тока во вторичной цепи приборов.
3.2 Семейства вольтамперных характеристик приборов
вклыченных по схеме с общим А-электродом.
Приведенные нижесемействаВАХ снимались по схеме с общим
А-электродом и попеременно подаваемыми на В и С-электродысигна-
лами от генераторов тока и напряжения.
Зависимости Iса=F(Uса) при -Iва=CONST.,(рис.22б - БИСПИН,
рис.22в- ТУННЕЛИСТОР) снимались по блок-схеме рис.22а и режи-
мах на:
-БИСПИНе: Uса=0,5 В/см;Iса=0,2 мА/см;Rн=2 кОм,
Iва=1 мА/ступ.
-ТУННЕЛЛИСТОРа: Uса=0,5 В/см,Iса=0,1 мА/см,Rн=5 кОм,
Iва=0,5 мА/ступ.
В рассматриваемомрежиме на А-область приборов подается от-
рицательный потенциал одновременно от генератора параметрического
токаиисточника напряжения развертки,p-n-переход оказывается
включен в прямом направлении,А-область - в обратном.ВАХ обоих
приборов имеетS-участки с неустойчивостью тока.У БИСПИНа при
уменьшении Rн неустойчивость тока исчезает.При увеличенииRн,
например, до 5 кОм, неустойчивость не срывается при изменении Iва
от 0,2 до 50 мА/ступ. При величинах параметрического тока равных
6-7 мА вертикальная линия, соответствующая участку ВАХ с устойчи-
вым током, исчезает. Регулировка порога возникновения неустойчи-
воститокав ТУННЕЛИСТОРе может осуществляться изменением пара-
метрического тока. Такая схема включения позволяет использовать
приборывкачестве генераторов сигналов специальной формы и пе-
реключателей.
На рис.23,а,изображенаблок-схема снятиясемейств ВАХ
БИСПИНа (б) и ТУННЕЛИСТОРа(в) всоответствиис зависимостью
Iса=F(Uса) при Iва=CONST. и режимах измерений:
-БИСПИНа: Uса=0,5 В/см;Iса=0,2 мА/см;Rн=2 кОм,
Iва=0,2 мА/ступ.
Верхняя характеристика соответствует Iва=1,4 мА.
-ТУННЕЛЛИСТОРа: Uса=1 В/см,Iса=1 мА/см, Rн=1 кОм,
Iва=1 мА/ступ.
Верхняя характеристика соответствует Iва=9 мА.
ВАХ обоих приборов определяются прямым параметрическим током
Iва относительно А - области,открывающим ее, а также прямым то-
ком Iсачерез p-n-переход.Неустойчивость тока в этом случае не
наблюдается. При увеличении параметрического тока Iвахаактерис-
тики смещаются всторонуувеличения токови одновременно все
больше смещаются пологой частью ВАХ в сторону отрицательныхнап-
ряжений Uса. Причем, БИСПИН более чувствителен к изменению пара-
метрического тока Iва и напряжения Uса, чем ТУННЕЛИСТОР.
По блок-схемерис.24,а,сняты семейства ВАХ БИСПИНа (б) и
ТУННЕЛИСТОРа (в) , т.е. зависимости -Iса=F(-Uса) при -Iва=CONST.
Режимы измерений
-БИСПИНа: Uса= -2 В/см;Iса=50 мкА/см;Rн=500 Ом,
Iва=2 мА/ступ.
-ТУННЕЛЛИСТОРа: Uса= -2 В/см,Iса=10 мкА/см,Rн=2 кОм,
Iва=2 мА/ступ.
Формирование ВАХ приборов обусловлено тем,что для тока функцио-
нальной зависимости Iса p-n-переход закрыт,а величина сопротив-
ления закрытой А-области будет зависеть от величины обратного-за-
пирающего - параметрического тока Iва. Поскольку у БИСПИНа струк-
тура А-области многослойна (n-p-n),то форма ВАХ определяется, в
основном, этой областью. Форма ВАХ ТУННЕЛИСТОРа в большей степени
определяется величиной сопротивления p-n-перехода и незначительно
зависит от сопротивления А-области. Неустойчивость тока не наблю-
дается.
Изображенная нарис.25,а,блок-схема измерений позволяет
получить ВАХ БИСПИНа (б) и ТУННЕЛИСТОРа (в) в соответствии сза-
висимостью -Iса=F(-Uса) при Iва=CONST. на следующих режимах изме-
рений:
-БИСПИНа: Uса= -1 В/см;Iса=20 мкА/см;Rн=2 кОм,
Iва=20 мА/ступ.
Изогнутой характеристике соответствует Iва=60 мА,
левая вертикальная ВАХ - Iва=80 мА.
-ТУННЕЛЛИСТОРа: Uса= -1 В/см,Iса=50 мкА/см,Rн=2 кОм,
Iва=2мА/ступ.
Верхняя ВАХ соответствует Iва=18 мА.
Семейства ВАХ исследуемых приборов по этойсхемевключения
определяются токами Iва и Iса c преобладающим влиянием последне-
го, поскольку он протекает через закрытый p-n переход, а парамет-
рический ток Iва течет в прямом направлении относительно контакта
А-области. У БИСПИНа при достижении параметрическим током величи-
ныIва=60 мА наблюдаются характеристика последовательно включен-
ных p-n-перехода и структуры А-области.При дальнейшем повышении
напряжениядо6 В происходит электрический пробой А-области.У
ТУННЕЛИСТОРа наблюдается семейство смещенных вдольоси токови
напряжений ВАХ p-n перехода. Неустойчивость тока не наблюдается.
Проанализируем полученныепри включении по блок-схеме
рис.26,аВАХ БИСПИНа(б)и ТУННЕЛИСТОРа(в)зависимости
-Iва=F(Uва) при Iса=CONST. и режимах измерений:
-БИСПИНа: Uва=0,5 В/см;Iва=0,2 мА/см;Rн=1 кОм,
Iса=50 мкА/ступ.
Верхняя характеристика соответствует Iса=0,4 мА.
-ТУННЕЛЛИСТОРа: Uва= 1 В/см,Iва=50 мкА/см,Rн=2 кОм,
Iса=50мкА/ступ.
Верхняя характеристика соответствует Iса=200 мкА.
На семействахВАХобоих исследуемыхприборов наблюдаются
участки N-типа что, особенно четко видно на первой характеристике
ТУННЕЛИСТОРа, работающеговмикрорежиме. Начиная с некоторого
значения параметрического тока на ВАХ возникают участкинеустой-
чивости тока, которые более интенсивно проявляются у БИСПИНа. Уп-
равление неустойчивостью тока может осуществляться каквеличиной
параметрического тока Iса, так и напряжением Uва. ВАХ, полученные
при данном включении, по форме напоминают ВАХ исследуемых прибо-
ров изображенные на рис.18. Это обусловлено тем, что направления
соответствующих токов для обеих схем включения совпадают.Незна-
чительная разница ВАХ определена взаимодействием параметрического
тока с сопротивлением А-области при рассматриваемом включении.
Рассмотрим ВАХ БИСПИНа (б) и ТУННЕЛИСТОРа (в), полученные по
блок-схеме рис.27,а, зависимостиIва=F(-Uва)при Iса=CONST,
снятые при следующих режимах измерений:
-БИСПИНа: Uва=-0,2 В/см;Iва=0,2 мА/см;Rн=1 кОм,
Iса=0,2 мА/ступ.
-ТУННЕЛЛИСТОРа: Uва= -1 В/см,Iва=0,2 мА/см,Rн=2 кОм,
Iса=0,2 мА/ступ.
У обоихсемейств верхняя характеристика соответс-
твует Iса=1,6 мА.
Семейства ВАХ приборов по приведенной схеме включения похожи
на выходные коллекторные характеристики транзистора,включенного
по схеме с ОЭ.
По блок-схемеизмеренийрис.28,а получены семейства ВАХ
БИСПИНа(б)и ТУННЕЛИСТОРа(в)зависимости -Iва=F(Uва)при
-Iса=CONST. Режимы измерений:
-БИСПИНа: Uва=5 В/см;Iва=0,1 мА/см;Rн=5 кОм,
Iса=1 мА/ступ.
Левая характеристика соответсвует Iса=10 мА.
-ТУННЕЛЛИСТОРа: Uва= 2 В/см,Iва=0,1 мА/см,Rн=5 кОм,
Iса=5мА/ступ.
Из ВАХБИСПИНа следует,что пробой А-области наступает при
Uва около 25 В. При возрастании тока Iса пробой наступает раньше.
ВАХ ТУННЕЛИСТОРапредставляет собой обратную ветвь контакта по-
лупроводник-диэлектрик (окисел)-металл.Однако, из-за малой тол-
щиныокислапри напряжениях более 0,5 В характеристика контакта
близка к характеристике омического контакта.Неустойчивость тока
не наблюдается.
На рис.29,а,представлена блок-схема снятияВАХБИСПИНа
(б)иТУННЕЛИСТОРа (в) зависимости Iва=F(-Uва) при -Iса=CONST.
Режимы измерений:
-БИСПИНа: Uва=-1 В/см;Iва=0,5 мА/см;Rн=2 кОм,
Iса=1 мА/ступ.
Левая характеристика снята при Iса=5 мА/ступ.
-ТУННЕЛЛИСТОРа: Uва= -2 В/см,Iва=2 мА/см, Rн=1 кОм,
Iса=5мА/ступ.
Левая характеристика соответствует Iса=35 мА
ВАХ обоихприборов качественнопрактически не отличаются.
Незначительное количественное отличиеобусловлено большимина-
чальными токамиТУННЕЛИСТОРа.При увеличении Iса по абсолютной
величине характеристики отклоняются влево. Неустойчивость тока не
возникает.
Таким образом, при включении исследуемых приборов по схеме с
общейА-областью неустойчивость тока возникает только в том слу-
чае,когда А-область подключена одновременно к отрицательным по-
люсам генераторапараметрическоготокаи источника напряжения
развертки.Причем безразлично,кудабыли подключеныплюсовые
клеммы этих источников - к В- или С-электродам.
3.3. Семейства вольт-амперных характеристик прибо-
ров включенных по схеме с общим С-электродом.
Приведенные в этомразделесемейства ВАХполучалисьпри
включении исследуемыхприборовпо схемесобщей p-областью
(электрод С) и попеременно подключаемыми А- и В-электродами к ге-
нераторам параметрического тока и напряжения развертки разной по-
лярности.
Если "плюс"генераторанапряжения соединить с В-электродом
(n-область),а "минус" генератора параметрического тока с элект-
родом А (активной областью) относительно общего С-электрода в со-
ответствиисблок-схемой рис.30,а,тополучим зависимость
-Iвс=F(Uвс) при -Iас=CONST.и соответствующие ей ВАХ БИСПИНа (б)
и ТУННЕЛИСТОРа (в), снятые при следующих режимах измерений:
-БИСПИНа: Uвс=2 В/см;Iвс=0,5 мА/см;Rн=100 Ом,
Iас=0,5 мА/ступ.
Верхняя ВАХ соответствует Iас=5 мА.
-ТУННЕЛЛИСТОРа: Uвс=0,2 В/см, Iвс=50 мкА/см, Rн=500 Ом,
Iас=50мкА/ступ.
Верхняя ВАХ соответствует Iса=500 мкА.
ВАХ представляютсобойсдвинутые вдоль оси токов обратные
ветви характеристик p-n-перехода,сопротивление которого модули-
руется отпирающим (прямым относительно p-области ) током,проте-
кающим через В- и А-области .Относительно А-областипараметри-
ческий ток является обратным и,следовательно,вызывает в А-об-
ласти неустойчивость тока. При увеличении Rн и снижении токов че-
рез БИСПИН можно получить неустойчивость на всем семействе харак-
теристик. Управление неустойчивостью тока у ТУННЕЛИСТОРа, работа-
ющего в микрорежиме, осуществляется величинами Rн и параметричес-
кого тока.Начала ВАХ ТУННЕЛИСТОРа сдвинуты в отрицательную сто-
ронуосинапряжений. На ВАХ обоих приборов неустойчивость тока
наблюдается на участках характеристик N-типа.
Изменив направлениепараметрическоготока, подаваемого на
электрод А, получим блок-схему измерений (рис.31,а,), позволяю-
щую снятьВАХ БИСПИНа(б)и ТУННЕЛИСТОРа(в)зависимости
-Iвс=F(Uвс) при Iас=CONST, что соответствует режимам иэмерений:
-БИСПИНа: Uвс=0,2 В/см;Iвс=20 мкА/см;Rн=500 Ом,
Iас=2 мА/ступ.
-ТУННЕЛЛИСТОРа: Uвс= 2 В/см, Iвс=50 мкА/см, Rн=500 Ом,
Iса=5мА/ступ.
В рассматриваемом случае параметрический ток является прямым
для А-области и обратным (запирающим) для p-n-перехода ,поэтому
влияниеегона общую характеристику p-n-перехода будет зависеть
от соотношения, создаваемого им на p-n-переходе падения напряже-
ния и прикладываемого напряжения развертки. Очевидно, что это бу-
дут ветви пробоя p-n-перехода, сдвигающиеся вправо, в область по-
ложительных напряжений.У БИСПИНа пробой p-n-перехода наступает
при напряжении 35-40 В, которое практически не зависит от пара-
метрическоготока (изменяется только величина обратного тока че-
рез p-n-переход). У ТУННЕЛИСТОРа пробой p-n-перехода наступает с
напряжения около2 В и величина напряжения пробоя возрастает по
мере увеличения параметрического тока. Наклон ВАХ существенно за-
висит от величины сопротивления нагрузки.
ВАХ БИСПИНа в микрорежиме (рис.32,б) и совместные ВАХ БИС-
ПИНа (правая) и ТУННЕЛИСТОРа (рис.32,в) зависимости Iвс=F(-Uвс)
при Iас=CONST. получены по блок-схеме измерений, изображенной на
рис.32,а и следующих режимах измерений:
-БИСПИНа: Uвс= -0,1 В/см;Iвс=50 мкА/см;
Rн=1 кОм, Iас=10 мкА/ступ.
-БИСПИНа и ТУННЕЛЛИСТОРа: Uвс= -0,1 В/см, Iвс=50 мкА/см, Rн=1 кОм
Очевидно, чтоВАХ представляет собой прямые ветви p-n-пере-
хода между В- и С-областями, промодулированныеобратнымтоком
А-области,накоторой в этом случае должна возникать неустойчи-
вость тока.Это и наблюдается на ВАХ БИСПИНа при величинах пара-
метрического тока 50-100 мкА. Дальнейшее увеличение параметричес-
кого тока через БИСПИН приводит к ВАХ,изображенным на рис.16,б
На ТУННЕЛИСТОРенеустойчивость тока при такой схеме включения и
имеющихся режимах работы характериоскопа получить не удалось. Оба
исследуемых прибора при такой схеме подключения работают в микро-
режиме.
Рассмотрим результаты измерений по блок-схеме, изображенной
на рис.33,а, позволяющей получить ВАХ БИСПИНа (б) и ТУННЕЛИСТО-
Ра(в) в соответствии с зависимостью Iвс=F(-Uвс) при Iас=CONST и
режимах работы:
-БИСПИНа: Uвс= -0,1 В/см;Iвс=0,2 мА/см;Rн=1 кОм,
Iас=20 мА/ступ.
-ТУННЕЛЛИСТОРа: Uвс=0,1 В/см, Iвс=0,2 мА/см, Rн=1 кОм,
Iса=0,2мА/ступ.
ВАХ p-n-переходов под воздействием запирающего параметричес-
кого тока, смещаются вдоль оси токов.ВАХ БИСПИНасмещаетсяв
сторону положительных напряжений. Неустойчивость тока не возника-
ет.
Оставив включеннымиисследуемыеприборы посхеме с общим
электродом С (p-областью),подсоединим теперь электрод В(n-об-
ласть) к генератору параметрического тока,а электрод А к источ-
нику напряженияфункциональнойразвертки иснимем ВАХ по
блок-схеме рис.34,а. Получим для БИСПИНа (б) и ТУННЕЛИСТОРа (в)
характеристики зависимости Iас=F(Uас) при Iвс=CONST,которые со-
ответствуют режимам измерений:
-БИСПИНа: Uас=2 В/см;Iас=0,5 мА/см;Rн=2 кОм,
Iвс=5 мкА/ступ.
Верхняя характеристика соответствует Iвс=35 мкА.
-ТУННЕЛЛИСТОРа: Uас=0,5 В/см, Iас=0,1 мА/см, Rн=2 кОм,
Iса=0,1 мА/ступ.
Верхняя характеристика соответствует Iвс=0.7 мА.
ВАХ приборов снятые по данной блок-схеме, будут являться ре-
зультатом взаимодействияпрямогодля А-области и обратного для
p-n-перехода тока Iас с параметрическим током Iвс, проходящим че-
рез p-n-переход в прямом направлении. Очевидно, что для ТУННЕЛИС-
ТОРа работающего в микрорежиме и имеющего малое прямоесопротив-
ление А-области в прямом направлении,вид семейства вольт-ампер-
ных характеристикбудетопределяться величинойсопротивления
p-n-перехода. У БИСПИНа, при запертом p-n-переходе, ВАХ принимают
вид наклонных кривых и повторяют обратную ветвь диода. При увели-
чениитока Iвс,то есть при открывании p-n-перехода,наклонные
линии семейства ВАХ переходят в практически вертикальную характе-
ристику, котораятеперьобусловлена прямойветвьюА-области
(рис.34,б,). Неустойчивости тока не возникает.
Изменив полярность генератора тока, как указано на блок-схе-
ме рис.35,а, Получим ВАХ БИСПИНа (б) и ТУННЕЛИСТОРа (в), соот-
ветствующие зависимости Iас=F(Uас) при -Iвс=CONST и следующих ре-
жимах измерений:
-БИСПИНа: Uас=2 В/см;Iас=0,5 мА/см;Rн=1 кОм,
Iвс=20 мкА/ступ.
Левая характеристика соответствует Iвс=100 мкА.
-ТУННЕЛЛИСТОРа: Uас= 1 В/см, Iас=0,5 мА/см, Rн=1 кОм,
Iвс=5мА/ступ.
В отличие от предыдущего случая форма ВАХ зависит от влияния
наp-n-переход источника параметрического тока, подключенного к
переходу обратной полярностью. По мере запирания p-n перехода ха-
рактеристика А-области БИСПИНа будет сдвигаться вдоль оси напря-
жений влево,а обратная ветвь ВАХp-n-переходаТУННЕЛИСТОРа -
вправо.
Рассмотрим снятые по блок-схеме на рис.36,а, ВАХБИСПИНа
(б)и ТУННЕЛИСТОРа (в),представляющие зависимость -Iас=F(-Uас)
при Iвс=CONST и следующих режимах измерений:
-БИСПИНа: Uас= -0,2 В/см; Iас=20 мкА/см;Rн=5 кОм,
Iвс=5 мкА/ступ.
-ТУННЕЛЛИСТОРа: Uас= -0,5 В/см, Iас=0,1 мА/см, Rн=5 кОм,
Iвс=1мА/ступ.
Генератор параметрическоготокавэтом случае подключен к
p-n-переходу в прямом направлении, а источник напряжения разверт-
ки - в прямом, по отношению к p-n-переходу и в обратном, по отно-
шению к А-области, что должно привести к возникновению неустойчи-
вости тока. Неустойчивость тока действительно наблюдается на ВАХ
ТУННЕЛИСТОРа.На БИСПИНе,работающем в микрорежиме,при такой
схемевключения и имеющихся режимах работы характериоскопа неус-
тойчивости тока получить не удалось.На ВАХобоихисследуемых
приборов отчетливо наблюдаются S-участки.
Изменив полярностьгенераторатока, получим зависимость
-Iас=F(-Uас) при -Iвс=CONST и проанализируем снятые по блок-схеме
рис.37,а,ВАХ БИСПИНа (б) и ТУННЕЛИСТОРа (в), измеренныепри
следующих режимах:
-БИСПИНа: Uас=-5 В/см;Iас=1 мА/см;Rн=5 кОм,
Iвс=5 мА/ступ.
-ТУННЕЛЛИСТОРа: Uас= -2 В/см, Iас=0,5 мА/см, Rн=2 кОм,
Iвс=0,5мА/ступ.
На ВАХобоих приборов наблюдается неустойчивость тока.Ин-
тенсивность колебаний в широком пределе управляется величиной то-
ка параметрического генератора, включенного в n-область (электрод
В) и ЭДС источника напряжения.На ВАХ имеютсяS-участки. Таким
образом,привключении исследуемыхприборовпо схеме с общей
p-областью (электрод С) неустойчивость тока возникает в техслу-
чаях,когда активная А-область подключается к "минусу" источника
тока или напряжения независимо от того, к какому полюсу соответс-
твенно источниканапряжения или тока будет подключена n-область
(электрод В).