Лавинно-пролетный диод
Концептуальная диаграмма.
Лавинное умножение носителей.
Пролетный режим работы ЛПД.
Параметры и характеристики, особенности устройства и применения ЛПД. Вращающееся магнитное поле системы двух катушек Пусть даны две одинаковые катушки, оси которых расположены под углом 90° по отношению друг к другу (рис.5.2).
Контрольные вопросы.
7.1. Концептуальная диаграмма
 |
7.2. Лавинное умножение носителей
Лавинно-пролетный диод (ЛПД)— это полупроводниковый СВЧ-диод, в котором для получения носителей заряда используется лавинное умножение (ударная ионизация) в области электрического перехода и взаимодействие этих носителей с переменным полем в переходе в течение времени пролета. Лавинно-пролетные диоды относятся к классу двух-полюсников, обладающих отрицательным сопротивлением на зажимах, что позволяет испо-льзовать ЛПД для создания генераторов и усилителей. Отрицательное сопротивление ЛПД проявляется только на достаточно высоких частотах и не проявляется в статическом режи-ме. Причиной этого является наличие фазового сдвига между током и напряжением на ЛПД.
Рис. 7.1. Схема ЛПД и распределение напряженности электрического поля:
D — ширина запирающего слоя; d— ширина слоя умножения
В иностранной литературе такие диоды часто называют диодами Рида по фамилии ученого, предложившего в 1958 г. структуру типа р—п—i—р и принципы работы устройства, однако эта структура была реализована только в 1965 г. Первый ЛПД создан в СССР А. С. Тагером с сотрудниками на основе обнаруженного в 1959 г. эффекта генерации СВЧ-колебаний при лавинном пробое германиевых диодов.
На рис. 7.1 показана схема плавного p-n-перехода ЛПД и распределение электрического поля в переходе. На диод подается обратное напряжение такой величины, что рабочая точка смещается в область лавинного умножения (рис.7.2). В p-n-переходе начинается процесс ударной ионизации атомов кристаллической решетки подвижными носителями заряда и образование новых пар электронов и дырок. С этим явлением связан резкий рост обратного тока перехода, называемый лавинным пробоем. Для количественной характеристики процесса ударной ионизации вводят коэффициенты ионизации αn и αp для электронов и дырок — число электронно-дырочных пар, создаваемых на единице пути (1 см) электроном и дыркой соответственно.
Лавинный пробой возникает, в результате ударной ионизации нейтральных атомов в р-n-переходе быстрыми электронами или дырками. В результате генерируются новые пары носителей заряда, которые, двигаясь в электрическом поле перехода, вновь при столкновении с атомами образуют новые пары носителей и т. д., т. е. носители в переходе лавинообразно размножаются. Параметром этого процесса является коэффициент умножения М, определяемый как отношение числа носителей, выходящих из p-n-перехода, к числу носителей того же типа, входящих в переход. Коэффициент М можно рассчитать по следующей эмпирической формуле:
(7.1)
где Uпр - напряжение пробоя.
Показатель степени для кремния и германия n-типа b = 3; для германия p-типа b=5,5. Величина пробивного напряжения не зависит от типа носителей и растет с увеличением удельного сопротивления полупроводника; у кремния это напряжение выше, чем у германия при тех же значениях удельного сопротивления.
Принято считать, что лавинный пробой наступает при таком обратном напряжении на переходе, когда коэффициент лавинного умножения обращается в бесконечность. Если начало лавинного умножения вызвано дырками (IP0>>In0), то условие лавинного пробоя будет выглядеть следующим образом:
(7.2)
Условие (7.2) имеет простой физический смысл; для возникновения лавинного пробоя необходимо, чтобы каждый электрон и каждая дырка, вошедшие в переход и возникающие в переходе, создавали в среднем до одной электронно-дырочной паре. Если αпαр, то носители, имеющие больший коэффициент ионизации, должны создавать при прохождении перехода в среднем более одной пары, чтобы скомпенсировать уменьшение коэффициента ионизации носителей другого типа.
Напряженность электрического поля максимальна на границе между р- и n-областями. Поэтому ударная ионизация происходит лишь в узком слое умножения δ, прилежащем к плоскости границы. Вновь созданные электроны и дырки под действием сильного поля дрейфуют через p- и n- пролетные участки запирающего слоя, расположенные по обе стороны от слоя умножения. Дырки дрейфуют через p-слой, а электроны через n-слой. При возрастании электрического поля скорость носителей заряда растет линейно. Но уже при напряженности поля, вызывающей лавинное умножение носителей (Е >> 105 В/м), скорость носителей заряда становится практически постоянной.
Пролетное время носителей заряда пропорционально ширине области пролета D и это объясняет запаздывание лавинного тока от напряжения в ЛПД. Сдвиг фазы между изменением напряженности поля и изменением тока при определенной частоте составит π/2. Дрейфуя через пролетные участки, электроны и дырки частично компенсируют объемный заряд ионов примеси и снижают напряженность поля в слое умножения.
Пролетный режим работы ЛПД (IМРАТТ -Avalanche Transit Time — ударная ионизация и пролетное время) работы диода основан на использовании лавинного пробоя и эффекта времени пролета носителей в обедненной области различных полупроводниковых структур. Распределение поля в этой области, определяющее физические процессы в диоде, зависит от типа структуры и закона распределения концентрации примесей в областях структуры. Ниже будет рассмотрена структура типа n+—р—i—p+ (диод Рида) (рис. 7.2, a), в которой области лавинного умножения и дрейфа носителей пространственно разделены.
Параметры их характеристики, особенности устройства и применения ЛПД Основными параметрами ЛПД являются: а) выходная мощность Pвых—мощность генератора на ЛПД в заданном диапазоне частот и напряжения питания. Это важнейший параметр ЛПД. Максимальная полезная мощность генератора при заданном сопротивлении нагрузки зависит от добротности диода и от амплитуды переменного тока и напряжения. Максимальное значение выходной мощности различных типов ЛПД колеблется в пределах 10—100 мВт на частоте 7-50 ГГц;
Для ycилeния и гeнepaции кoлeбaний CBЧ-диaпaзoнa мoжeт быть иcпoльзoвaнa aнoмaльнaя зaвиcимocть cкopocти элeктpoнoв oт нaпряжeннocти элeктpичecкoгo пoля в нeкoтopыx пoлyпpoвoдникoвыx coeдинeнияx, пpeжде вceгo в apcенидe гaллия. Пpи этoм ocнoвнyю poль игpaют пpoцeccы, пpoиcxoдящиe в oбъeмe пoлyпpoвoдникa, a нe в p-n-пepexoдe. В 1961 -1962гг. Ридли, Уоткинс и Хилсум теоретически показали, что однородные образцы из некоторых полупроводниковых материалов могут иметь отрицательную дифференциальную проводимость. В 1963 г. Дж.Ганн экспериментально обнаружил токовую неустойчивость (высокочастотные периодические импульсы тока) в однородных образцах из GaAs и InP с электронной проводимостью (пoэтoмy тaкиe пpибopы нaзывaют диoдaми Гaннa). В oтeчecтвeннoй литepaтype иx нaзывaют тaкжe прибopaми c oбъeмнoй нeycmoйчивocmью или c мeждoлинным пepeнocoм элeкmpoнoв, пocкoлькy aктивныe cвoйcтвa диoдoв oбycлoвлeны пepexoдoм элeктpoнoв из «цeнтpaльнoй» энepгетичecкoй дoлины в «бoкoвyю», гдe oни xapaктepизyютcя бoльшoй эффeктивнoй мaccoй и мaлoй пoдвижнocтью. В инocтpaннoй литepaтype пocлeднeмy нaзвaнию cooтвeтcтвyeт тepмин TED (Traпsferred Electroп Device).