Лавинно пролетные диоды

Полупроводниковые диоды (с резкими и плавным p-n-переходами), работающие в режиме лавинного пробоя, обладают отрицательным динамическим сопротивлением в узком интервале частот переменного сигнала СВЧ-диапазона. Это свойство полупроводниковых приборов используется для создания усилителей и генераторов радиоволн сантиметрового и миллиметрового диапазонов. Диоды, использующиеся в этих устройствах, получили название лавинно-пролетных диодов (ЛПД), так как появление у них отрицательного динамического сопротивления обусловлено инерцеальностью развития лавинного пробоя и наличием конечного времени пролета носителей через обедненную область заряда (ООЗ) p-n-перехода.

Механизм усиления переменного сигнала лавинно-пролетным диодом рассмотрим на примере n+-p-i-p+-структуры, распределение напряженности поля в которой при обратном смещении показано на рис. 1.1.20. При построении зависимости пренебрегаем наличием ООЗ в n+- и p+-областях. Поскольку концентрация примесей в i-области в идеальном случае равна нулю, то ООЗ занимает всю длину этой области, и напряженность поля в интервале значений х от до W не зависит от координаты.

Предположим, что на n+-p-i-p+ структуру подано постоянное обратное напряжение, при котором напряженность поля в точке и в ее окрестности немного меньше напряженности поля пробоя . При этом для n+-p перехода не выполняется условие лавинного пробоя и через структуру течет малый обратный ток.

Подадим на ЛПД переменное напряжение, амплитуда которого достаточна для того, чтобы в течение определенной части полупериода суммарная напряженность поля превышала

Избыточные электроны практически мгновенно выбрасываются полем n+-p-перехода в n+-область, а дырки дрейфуют в сильном электрическом поле до тех пор, пока не достигнут точки и не попадут в p+-область. В связи с этим, участок ООЗ от до называется областью дрейфа.

Поскольку лавинное умножение обусловлено серией последовательных актов неупругих соударений атомов и горячих носителей заряда с атомами полупроводника, то для получения в области умножения заметного количества избыточных электронно-дырочных пар необходимо определить время после того как напряженность поля достигнет величины . Обычно время лавинного запаздывания с.

Можно подобрать частоту переменного сигнала, подаваемого на ЛПД, таким образом, чтобы концентрация избыточных дырок, инжектируемых из области умножения в область дрейфа, достигала максимума спустя четверть периода после того, как напряженность поля в n+-p-переходе имела наибольшее значение. Такая ситуация показана на рис. 1.1.21. Переменное напряжение достигает максимальной величины при значении фазы , , а инжекционный ток дырок в область дрейфа имеет наибольшие значения при .

Напряженность поля в области дрейфа n+-p-i-p+-структуры обычно настолько велика, что скорость дрейфа носителей, инжектированных в нее, достигает своего максимально возможного значения . Тогда время их пролета через область дрейфа

(1.1.32)

Зная величину , можно подобрать ширину области дрейфа таким образом, чтобы время пролета через область дрейфа составляло полупериод переменного напряжения. В этот полупериод, когда направление векторов напряженности переменного и постоянного поля противоположны, сгусток дырок в области дрейфа ускоряется постоянным полем и тормозится переменным, что приводит к трансформации энергии постоянного электрического поля в энергию СВЧ-поля. В следующую четверть периода суммарная напряженность поля в области умножения вновь достигает величины , и к концу полупериода за счет развития лавинного пробоя возникает новый сгусток избыточных носителей. Затем процесс повторяется. Таким образом, осуществляется периодически повторяющаяся перекачка энергии постоянного электрического поля в СВЧ-мощность. Зависимость тока, возбуждаемого во внешней цепи избыточными носителями заряда, от фазы показана на рис. 1.1.21, б. Из сопостовляемых фазовых (или временных) зависимостей переменного напряжения и тока видно, что в описанных выше условиях динамическое сопротивление n+-p-i-p+ -структуры отрицательно.

Недостатком ЛПД является то, что они обладают высоким уровнем шумов, причиной возникновения которых является статистическая природа генерации электронно-дырочных пар в процессе развития лавинного пробоя в области умножения. Коэффициент шума усилителей на низком уровне сигнала составляет 20-30 дБ для диодов из GaAs и 3 -40 дБ для кремниевых. При высоком уровне сигнала шумы могут значительно возрасти. Шумы ограничивают минимальный уровень СВЧ-сигнала, который может быть усилен. С другой стороны, это свойство ЛПД нашло практическое применение для создания калиброванных генераторов шума, обладающих непрерывным спектром излучения в достаточно широкой полосе частот.