Лавинно - пролетный диод

Виды полупроводниковых приборов СВЧ

Виды приборов. Полупроводниковые приборы СВЧ диапазона по принципу работы практически не отличаются от низкочастотных и высокочастотных полупроводниковых приборов. Однако необходимость обеспечения сверхвысоких значений рабочих частот предъявляет жесткие требования к конструкции и технологии производства приборов. Эти требования зачастую противоречивы. Например, требование обеспечения малой емкости между электродами прибора требует уменьшения площади перехода, а значит, уменьшения тока и соответственно мощности прибора. Необходимость уменьшения времени переноса носителей заряда через прибор требует уменьшения размеров прибора, что приводит к уменьшению допустимой мощности рассеивания, а значит, и мощности прибора.

Стремление удовлетворить многообразные требования к конструкции приборов наряду с требованиями потребителей к параметрам приборов вызвали к жизни большое количество полупроводниковых приборов СВЧ: диодов, биполярных и полевых транзисторов и полупроводниковых приборов интегральных схем.

Полупроводниковые диоды СВЧ по своему назначению подразде­ляются на несколько специализированных групп, объединяющих сме­сительные, детекторные, модуляторные, переключательные, умножительные, усилительные и генераторные диоды. О назначении каждой группы диодов говорят их названия. Так, например, смесительные диоды предназначены, в частности, для выделения колебаний на одной частоте при смешении колебаний на двух частотах, детекторные диоды – для выпрямления переменного тока СВЧ (детектирования колебаний), переключательные диоды - для переключения цепей и ограничения мощности, модуляторные диоды – для

управления параметрами колебаний (модуляции), умножительные диоды – для умножения частоты колебаний. На практике широко используются также усилительные и генераторные диоды, один из представителей которых – туннельный диод – был рассмотрен ранее,а два других вида – лавинно-пролетный диод и диод Ганна будут рассмотрены здесь.

Лавинно - пролетный диод

Принцип действия. Лавинно-пролетный диод (ЛПД) - полупроводниковый диод, работающий в режиме лавинного размножения носителей заряда при обратном смещении электронно-дырочного перехода и предназначенный главным образом для генерации сверх высокочастотных колебаний. Диод изготовляется из кремния или арсенида галлия.

Принцип действия ЛПД рассмотрим на примере прибора, выпол­ненного на основе р⁺-n- n⁺ -структуры (рис. 1а).

В основе принципа действия диода лежат два физических яв­ления: лавинное размножение носителей заряда, возникающее в результате электрического пробоя р⁺- п перехода, и пролет эти­ми носителями пролетного пространства за определенное время под действием электрического поля.

Пусть к р⁺-n переходу диода, смещенному в обратном на­правлении постоянным напряжением внешнего источника U₀ , при­ложено также переменное гармоническое напряжение с амплитудой U_m < U₀. При этом напряжение U₀ несколько

меньше напря­жения лавинного пробоя - порогового напряжения U_пор (pиc.1б). В результате совместного действия постоянного и переменного напряжения в области р⁺-п перехода, где суммарная напряженность электрического поля в течение некоторой части периода переменного напряжения Δt’ превышает пороговое значение Е_пор , происходит лавинный пробой перехода. Пробой р⁺- n перехода приводит к лавинообразному нарастанию числа подвижных носите­лей заряда в переходе. На рис.1в показаны характер изменения напряженности электрического поля в р*-n- n⁺ - структуре диода в некоторый момент времени t₀ и область перехода, где происхо­дит генерация носителей заряда (область размножения).

Возникшие за время Δt’ в результате лавинного размножения носители заряда дрейфуют в противоположных направлениях: дырки сразу же попадают в р⁺ - область, где и рекомбинируют, а элект­роны попадают в n - область (пролетное пространство) и продол­жают двигаться в ускоряющем электрическом поле в сторону n⁺- об­ласти.

Дрейфуя в пролетном пространстве, электроны, образующие им­пульс конвекционного тока длительностью Δt^’ , взаимодействуют с переменным электрическим полем. Взаимодействие сопровождает­ся отдачей электронами части своей энергии переменному полю, если за время дрейфа электронов в пролетном пространстве они оказываются преимущественно в тормозящей фазе поля. Процесс образования лавины носителей заряда имеет инерционный характер. Вследствие этого максимум конвекционного тока отстает во време­ни от максимального значения переменного электрического поля в р⁺ - n переходе. Для рабочих частот диода это запаздывание составляет примерно Т/4 (Т - период переменного напряжения), поэтому электроны лавины влетают в пролетное пространство прак­тически в тормозящей фазе переменного поля.

На рис.2 показаны пространственно-временная диаграмма движения электронов в ЛПД и импульсы наведенного тока во внешней цепи диода i (t), иллюстрирующие про­цессы в рассмотренном выше режиме работы, который полу­чил название пролетного. Ха­рактерными особенностями это­го режима являются стационар­ность положения в

пространстве области лавинного размножения и введение в пролетное прос­транство носителей заряда из этой области.

Однако ЛПД может работать в режиме, когда область лавинного размножения носителей заряда в диоде оказывается нестационарной и периодически перемещается в пролетном пространстве. Этот ре­жим получил название режима с захваченной плазмой. Он возникает при относительно больших токах через диод. Характерной особенностью режима является периодическое образование в пролетном пространстве диода электронно-дырочной плазмы. Образование плазмы начинается с момента времени, когда напряженность элект­рического поля в р⁺ - n переходе на участке пробоя достигает значения E_пор. Образовавшиеся в месте пробоя носители заряда приводят к снижению напряженности электрического поля в облас­ти пробоя, что сопровождается перераспределением напряжения между участками n – слоя и повышением напряжения на участке n - слоя, прилегающем к месту пробоя. В результате слой ла­винного размножения перемещается с некоторой скоростью v по n -области в сторону низкоомного n – слоя На рис.3 показана картина распределения напряженности электри­ческого поля в диоде в момент времени, когда слой лавинного размножения переместился на некоторое расстояние от места своего возникновения.

Скорость движения фронта волны ударной ионизации (области лавинного размножения) значительно больше скорости дрейфа носителей заряда в электрическом поле и, следовательно, скорости их ухода в низкоомные области р⁺ и n⁺ из n - слоя. В результате прохода волны ионизации n - область оказы­вается заполненной электронно-дырочной плазмой, проводимость области возрастает, и напряжение на диоде уменьшается. Затем начинается стадия рассасывания образовавшейся электронно-ды­рочной плазмы. Скорость экстракции носителей заряда из плазмы в начале стадии рассасывания невелика ввиду

малой напряженнос­ти поля в n - области.

По мере рассасывания плазмы электропроводность n -слоя падает, а напряжение на диоде увеличивается, что приводит к возрастанию дрейфовой скорости экстрагируемых носителей заря­да. После рассасывания плазмы восстанавливаются условия для возникновения области лавинного размножения носителей заряда в р⁺- n переходе и описанный процесс повторяется

Частота колебаний в режиме с захваченной плазмой сущест­венно меньше частоты в пролетном режиме, так как средняя ско­рость экстракции носителей заряда из плазмы значительно ниже дрейфовой скорости электронов в пролетном режиме.

Рассмотренная структура ЛПД не является единственно воз­можной. Для изготовления диода помимо структуры р⁺-n- n⁺ используются структуры типа p⁺-i-n⁺, р+-n-i-n⁺, р⁺-р-n-n, а также структуры с барьером Шоттки. При этом размеры промежуточных слоев диода (между низкоомными областями р⁺ и n⁺ ) таковы, что при обратном напряжении эти слои полностью заполняются объёмным зарядом.

Поскольку ЛПД при указанных выше условиях имеет активное дифференциальное сопротивление, которое в динамическом режиме на СВЧ в целом за период отрицательно, то диод, будучи помещен­ным в резонатор, может генерировать и усиливать СВЧ колебания.

Параметры. Частотный диапазон, перекрываемый лавинно-пролетными диодами, составляет 0,5 - 400 ГГц. Выходная мощность диодов составляет единицы - десятки ватт в непрерывном и сотни ватт в импульсном режиме. Увеличение мощности, генерируемой ЛПД, достигается за счет использования составных р-n- структур. Составная структура ЛПД

представляет собой несколько последовательно включенных диодов, располагаемых на общей тепло проводящей подложке из алмаза, что позволяет значительно улучшить теплоотвод и получить мощность в импульсе, достигающую единиц киловатт. КПД в режиме с захваченной плазмой достигает 30-60%, в пролетном режиме не превышает 15%.

ЛПД применяются главным образом в качестве генераторов СВЧ колебаний и генераторов шума. В последнем случае диод характе­ризуется спектральной плотностью мощности собственных шумов, которая при мощности питания диода 50 - 100 мВт и температуре Т=290 К составляет 4•10 ^-18 - 4•10 ^-17 Вт/Гц. Основная составляю­щая собственных шумов ЛПД - дробовой шум, обусловленный лавин­ным характером генерации электронно-дырочных пар.

Диод Ганна

Устройство и принцип действия. Диод Ганна - полупроводниковый прибор, действие которого основано на появлении отрицательного объемного сопротивления под воздействием сильного электрического поля и который предназначен для генерирования и усиления СВЧ колебаний.

Схематическое устройство диода Ганна показано на рис.4а. Основу диода составляет пластина монокрис­талла полупроводника с проводимостью n - типа и концентрацией примесей n. Длина пластины - десятки микромет­ров, площадь сечения порядка 0,01 м² Подача напряжения на монокристалл осуществляется посредством омических контактов. Пластина монокристалла и омические контакты обычно изготавли­ваются путем эпитаксиального выращивания слоев полупроводника

.

Принцип действия диода основан на эффекте Ганна, состоящем в возникновении периодических колебаний электрического тока в моно­кристалле прибора, когда напряжение на нем превышает определен­ный пороговый уровень.

Возникновение колебаний тока в диоде связано со сложной структурой энергетического спектра полупроводников, используе­мых в приборе. Зона проводимости таких полупроводников состоит из нескольких подзон (долин) с разрешенными энергетическими уровнями, разделенных подзонами запрещенных уровней. Обычно эту сложную систему представляют в виде двухзонной (двухдолинной) модели (рис.4б).

Подвижность электронов μ_н, занимающих энергетические уровни в нижней зоне (быстрых электронов), значительно больше подвижности электронов μ_b , находящихся на уровнях верхней зоны (медленных электронов). Так, для арсенида галлия - наибо­лее распространенного материала для изготовления диодов Ганна, значения подвижности составляют: ų_н = 5•10³ см² /(В•с),μ_B = 10² см² /(В•с); интервал между минимумами энергии зон ΔW = О.З6 эВ,

Наличие в зоне проводимости кристалла зон с существенно различающимися значениями подвижности электронов определяет свое­образный характер зависимости средней дрейфовой скорости элект­ронов от напряженности электрического поля в кристалле (рис.6). Падающий участок на кривой v(Е), где dv/dE < 0, обеспечивает воз­можность возникновения периодических колебаний тока, протекающего через диод.

Принцип действия диода Ганна рассмотрим, используя кривые рис.5.

Пусть к выводам диода (рис.6а) приложено посто- янное напряжение U₀ , которое создает внутри монокристалла напряженность электрического поля E < E_пор (слабое поле).

Распределение поля вдоль оси x (рис.6б) вследствие однородности монокристалла практически постоянно, за

исключением приэлектродных участков, где напряженность поля выше, чем в остальной части кристалла (кривая 1). Большая напряженность поля Е на приэлектродных участках связана, в частности, с неоднородностью приэлектродных

омических контактов, где возникают участки повышенного сопротивления, на которых происходит падение напряжения, приводящее к локальному возрастанию напряжен­ности электрического поля. При выполнении условия E < E_пор неоднород­ность электрического по­ля практически не сказывается на характере движения (дрейфа) электронов в кристалле. Во внешней цепи диода будет протекать постоянный ток, плотность j которого пропорциональна средней дрейфовой скорости быстрых электронов v_h=μ_hE . При увеличении напряжения U₀ до значения, при котором напряженность поля E в однородной части кристалла (прилегающей к прикатодной части) окажется равной E (сильное поле), напряженность поля, например в прикатодной области (области повышенного сопротивления) превысит пороговое значение E (кривая 2). В результате ки­нетическая энергия электронов, дрейфующих через прикатодную область, возрастет настолько, что станет возможным переход электронов в верхнюю зону проводимости кристалла.

Подвижность электронов, оказавшихся в верхней зоне, снизится до значения μ_B , a их средняя дрейфовая скорость упадет до v_в = μ_B Е (рис.6, прямая 0В) и станет существенно меньше скорости v_пор , так как подвижность μ_B<<μ_H. При этом средняя дрейфовая скорость всех электронов, дрейфующих через прикатодную область, также уменьшится (рис.6, участок АВ). Таким образом, в окрестности прикатодной области кристалла возникнет слой медленных электронов, дрейфующих в направлении анода. Этот слой электронов будут догонять быстрые электроны, увеличивая объемный отрицатель­ный заряд движущегося слоя медленных электронов. В свою очередь, быстрые электроны, движущиеся справа от слоя медленных электро­нов, будут уходить в сторону анода, образуя перед дрейфующим слоем медленных электронов область кристалла, обедненную элект­ронами, - область объемного нескомпенсированного положительно­го заряда доноров (рис.6в).

Появление в прикатодной части кристалла первоначально об­разовавшейся области локальных объемных отрицательного и поло­жительного зарядов и рост зарядов по мере движения электронов к аноду приводят к увеличению в этой движущейся области напря­женности электрического поля (рис.6б, кривая 3), снижению напряженности поля E_вн вне пределов области и дальнейшему на­коплению объемного заряда в слое вследствие перехода в верхнюю зону проводимости все большего числа электронов, догоняющих слой медленных электронов. В результате в узкой зоне кристалла возникает электрический домен - локальная область двойного слоя электрического заряда с высоким значением напряженности элект­рического поля Е_Д , движущаяся со скоростью v_Д .

Увеличение напряженности поля Е_Д в домене приводит к воз­растанию в нем средней дрейфовой скорости медленных электро­нов v_Д . При достижении полем значения Е = Е_нас их скорость становится равной скорости насыщения v_нас, которая сохраняется неизменной при последующем увеличении поля Е_Д, т.е. при Е_Д > E_нас . В свою очередь, уменьшение напряженности поля E_вн вне домена сопровождается снижением средней дрейфовой скорости быcтрых электронов v_н . Домен оказывается сформированным, когда скорость v_Д = v_H = v_нac. При этом прекращается накопление заряда в домене и рост поля E. Сформировавшийся домен в целом электрически нейтрален и движется от места своего возникнове­ния (катода) к аноду.

Достигая анода, домен исчезает, вследствие чего напряжен­ность электрического поля в кристалле восстанавливается до ис­ходного значения; у катода создаются условия для возникновения нового домена, и цикл повторяется. Наличие домена в диоде при­водит к перераспределению падения напряжения внешнего источни­ка внутри кристалла, поэтому напряженность электрического поля в прикатодной области становится меньше значения E_пор , что исключает возможность возникновения второго домена, т.е. в кристалле диода может существовать только один домен.

Ток во внешней цепи диода пропорционален дрейфовой скоро­сти электронов. Поэтому образование домена, сопровождающееся уменьшением дрейфовой скорости электронов относительно значе­ния v_пор , приводит к снижению тока через диод, а исчезновение домена - к его

возрастанию. Вследствие периодического характера образования и исчезновения домена во внешней цепи дио да появляется периодическая последовательность импульсов тока (рис.7). Длительность импульсов τ_и равна сумме времени образования τ_Д и исчезновения τ_P домена, которая составляет приблизительно 10^-10 с, а частота повторения импульсов - пролетная часто­та f_пр = t_Д^-1 = v / l ,где t_Д - время дрейфа

домена от катода к аноду, l - длина кристалла (см. рис.6а). Например, для диода, выполненного на основе арсенида галлия (v = v_нас = 10⁵ м/с), при l = 20 мкм и f_пр = 5ГГц.

Рассмотренный режим работы диода получил название пролетного доменного режима. Он реализуется, когда время дрейфа домена в кристалле t_Д ≥ τ_Д, а амплитуда переменного напряжения анода диода значительно меньше напряжения U₀ и переменное на­пряжение не оказывает заметного влияния на процессы, происхо­дящие в кристалле прибора. Характерной особенностью пролетного режима является независимость частоты генерируемых диодом колебаний от параметров нагрузки. В этом случае подключенная к диоду резонансная нагрузка с низкой добротностью действует по отношению к диоду только как избирательный фильтр.

Однако при работе диода Ганна в режиме с образованием домена можно осуществить и управление частотой колебаний тока диода. Это достигается путем подключения к диоду резонансной нагрузки с достаточно высокой добротностью, при которой переменное напряжение на нагрузке (и, следовательно, на диоде)ста­новится соизмеримым с напряжением U₀ и оказывает существенное влияние на процессы в кристалле диода, в результате частота генерируемых колебаний определяется главным образом частотой настройки нагрузки. В этом случае диод Ганна работает либо в режиме с задержкой (запаздыванием) образования домена, либо в режиме с подавлением (гашением) домена.

В режиме с задержкой образования домена последний, как и в пролетном режиме, исчезает (рекомбинирует) на аноде, но если в момент рекомбинации суммарное напряжение анода диода (постоян­ное и переменное) станет меньше порогового, то следующий домен не возникнет до тех пор, пока суммарное напряжение вновь не достигнет порогового значения. В результате домен возникнет у катода с задержкой во времени по сравнению с моментом возник­новения домена в пролетном режиме. Частота колебаний тока в этом режиме может быть в пределах от 0,5 f_np до f_np.

В режиме с подавлением домена последний, возникая на катоде, исчезает (рассасывается) раньше, чем достигает анода. Такой режим реализуется, когда суммарное напряжение на диоде становится меньше порогового напряжения во время движения домена к аноду. При этом необходимо, чтобы время нахождения домена в кристалле было больше полупериода напряжения резонансной нагрузки. Частота колебаний тока диода в этом режиме обычно лежит в интервале 0,5 f_np< f < 2,5 f_np .

Режим ОН03. Рассмотренные режимы работы диода Ганна отно­сятся к группе доменных, когда колебания тока диода обусловле­ны образованием и распространением домена в кристалле диода. Однако наличие сформировавшегося домена не является обязатель­ным условием для генерирования диодом СВЧ колебаний. Если к диоду приложить совместно с постоянным напряжением U₀ , соз­дающим в кристалле поля напряженность электрического больше пороговой, переменное гармоническое напряжение такой амплитуды, при которой во время части периода t' напряжение на диоде будет меньше порогового U_пор (рис.8а), и если период переменного напряжения Т бу-

дет значительно меньше времени форми­рования домена τ_Д , то домен, возникающий у катода, не успев сформироваться, начнет рассасываться. При этом образовавшийся в прикатодной области за интервал времени t" заряд практически не оказывает влияния на распределение напряженности электричес­кого поля в кристалле и условие Е > Е_пор выполняется для всех областей кристалла. В результате зависимость тока диода от на­пряженности электрического поля повторяет зависимость v (Е) , показанную на рис.7 сплошной линией. Зависимость тока диода от времени показана на рис.8б. В интервале времени t" ак­тивное дифференциальное сопротивление диода оказывается отри­цательным и происходит передача мощности СВЧ колебаний в нагрузку. В интервале времени t' напряжение на

диоде меньше порогового, возникший за время t'' объемный заряд рассасывается и активное дифференциальное сопротивление диода становится положительным. Такой режим работы диода Ганна получил название режима ОНОЗ, т.е. режима с ограничением накопления объемного заряда.

В режиме ОНОЗ частота генерируемых диодом колебаний не зависит от длины кристалла, определяется в основном частотой настройки резонансной нагрузки и может быть весьма высокой. Это позволяет увеличить размеры кристалла и, следовательно, полу­чить большую мощность в нагрузке (за счет увеличения мощности, подводимой от источника питания) по сравнению с мощностью дио­дов, работающих в доменных режимах. Особенно эффективен режим ОНОЗ при работе диода в импульсном режиме, так как фактором, ограничивающим генерируемую мощность, здесь является в основном максимально допустимая мощность, рассеиваемая диодом.

Наряду с рассмотренными режимами работы диод Ганна может работать также в гибридном режиме, являющемся промежуточным между режимом ОНОЗ и режимом с подавлением домена.

Параметры. Основными параметрами диода Ганна являются частота генерируемых колебаний, выходная мощность и коэффициент полезного действия.

Частотный диапазон, перекрываемый диодами Ганна, составляет 0,3 - 300 ГГц, в том числе в доменном режиме – до 50 ГГц, выше - в режиме ОНОЗ.

Выходная мощность генераторов на диоде Ганна в непрерывном режиме достигает единиц ватт, в импульсном режиме - единиц киловатт. КПД составляет единицы - десятки процентов. Наибольший КПД получен в режиме ОНОЗ (около 30%).

Перестройка по частоте генераторов на диодах Ганна осуществляется главным образом изменением собственной частоты резонансной нагрузки и может достигать октавы и более.

Напряжение смещения диода при работе в непрерывном режиме составляет единицы - десятки вольт, в импульсном режиме – десятки - сотни вольт.

Диоды Ганна находят применение в генераторах и усилителях СВЧ колебаний, в логических функциональных, оптоэлектронных и других устройствах.