Лавинно-пролетный диод

Содержание

Введение.................................................	3
1 Основные особенности лавинно-пролетных диодов.............	4
2 Диоды с полевой эмиссией.................................	9
3 Принцип работы ЛПД.....................................	15
Заключение...............................................	19
Список использованной литературы...........................	20

ВВЕДЕНИЕ

Настоятельная необходимость миниатюризации аппаВнратуры СВЧ, повышение ее экономичности и надежности вызвала быстрый рост рабочих частот полупроводникоВнвых приборов. Наряду с большими успехами в технолоВнгии транзисторов этому способствовало открытие новых физических явлений в полупроводниках, сделавшее возВнможным разработку приборов, адекватных СВЧ диапаВнзону.

Одним из первых явлений такого рода было обнаруВнженное СВЧ излучение при ударной ионизации в р-п переходах, послужившее основой для создания в 1959 г. новых СВЧ приборовтАФлавинно пролетных диодов (ЛПД).

На базе ЛПД создаются и быстро совершенствуются разнообразные приборы и устройства, в первую очередь генераторы когерентных и шумовых колебаний сантиметрового и миллиметрового диапазонов. Малые габариты и вес, экономичность, виброустойчивость и т. п. позволяют отнести генераторы на ЛПД к числу наиболее перспективВнных источников электромагнитных колебаний СВЧ, открывающих широкие возможности развития СВЧ микросхемотехники.

1 ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ЛАВИННО-ПРОЛЕТНЫХ ДИОДОВ

Характерной особенностью развития современной раВндиотехники является быстрое продвижение полупроводниковых приборов в область сверхвысоких частот. ПроВнгресс в этом направлении был достигнут в результате значительного усовершенствования технологии изготовления высокочастотных транзисторов, разработки тунВннельных диодов и диодов с переменной емкостью (варакторов). Хотя все эти приборы появились совсем недавно, они уже широко применяются в диапазоне СВЧ в каВнчестве элементов высокочувствительных приемных устройств и умножительных цепочек. Однако до последВннего времени не удавалось создать эффективного автоВнгенератора сантиметровых волн, который мог бы слуВнжить твердотельным эквивалентом одного из основных электровакуумных приборов СВЧ тАФ отражательного клиВнстрона.

Этот пробел в значительной мере восполняет новый полупроводниковый СВЧ прибор тАФ лавинно-пролетный диод (ЛПД), являющийся основой целого класса СВЧ устройств; генераторов, усилителей и преобразователей частоты.

В процессе исследования зависимости коэффициента преобразования частоты в диапазоне СВЧ на парамеВнтрических полупроводниковых диодах от величины приВнложенного к диоду постоянного смещения и мощности накачки было установлено, что при больших значениях обратного напряжения, превышающих пробивное, некоВнторые из диодов генерировали СВЧ колебания и в отВнсутствие сигнала накачки.

Диффузионные диоды с меза-структурой и одним р-п переходом, сформированным путем диффузии мышьяка в германий р-типа, легированный галлием (рис. 1).

Рис. 1. Структура диода.

Рис. 2. Схема включения ЛПД в цепь постоянного тока.

Диод помещали в высокочастотный резонатор и вклюВнчали в цепь постоянного тока, как показано на рис. 2. Генерация СВЧ колебаний наблюдалась при отрицаВнтельных напряжениях, на 0,5тАФ1,5 В, превышающих проВнбивное напряжение, когда через диод проходил постоянВнный ток от 0,5 до 10тАФ15 мА. Мощность колебаний в неВнпрерывном режиме составляла для различных диодов величину от десятков микроватт до нескольких миллиВнватт. Спектр колебаний в зависимости от тока, текущего через диод, и настройки резонатора изменялся от близВнкого к шумовому до почти монохроматического. Длина волны колебаний лежала в пределах от 0,8 до 10 см и зависела от размеров резонатора и значений реактивВнных параметров диодов. Перестраивая резонатор (наВнпример, перемещением короткозамыкающего плунжера), можно было плавно изменять частоту и мощность коВнлебаний. В недовозбужденном режиме вблизи порога генерации наблюдалось регенеративное усиление СВЧ колебаний с коэффициентом усиления 15тАФ20 дб. Диоды на которых были получены генерация и усиление СВЧ колебаний, как правило, не давали заметной паразитной генерации на более низких частотах, хотя не приВннималось специальных мер для ее подавления.

Рис 3. Обратная ветвь вольтамперной характеристики ЛПД

Уже первые эксперименты показали, что основным признаком генерирующих диодов, является форма обВнратной ветви их вольтамперной характеристики, покаВнзанной на рис. З сплошной линией. Как видно из риВнсунка, особенностью этой харакВнтеристики является резкий излом при пробивном напряжении Uпр. При отрицательных напряжениях, меньших (по абсолютной величиВнне) Uпр, ток, текущий через диод (ток насыщения), очень мал и соВнставляет для различных диодов от 0,01 до 1 мкA. При U=Unp вольтамперная характеристика претерВнпевает резкий излом, ток резко возрастает и при дальнейшем увеВнличении отрицательного смещения растет почти линейно с наВнпряжением. Максимальное значеВнние постоянного тока диода ограВнничивалось опасностью теплового пробоя, выводящего диод из строя.

Наклон вольтамперной характеристики на рабочем участке был всюду положительным и соответствовал положительному дифференциальному сопротивлению Rд слабо зависящему от тока и лежащему для различных диодов в интервале 50тАФ300 Ом.

Вольтамперная характеристика негенерировавших диодов, как правило, отличалась более или менее плавВнным увеличением тока вблизи пробивного напряжения (штриховая кривая рис. З) и большим значением дифВнференциального сопротивления Rд на этом участке. На некоторых диодах при U>Uпр наблюдались скачки тока, соответствующие участкам вольтамперной характеристиВнки с отрицательным наклоном. Эти диоды в ряде слуВнчаев давали низкочастотную генерацию (1тАФ10 кГц), но, как правило, не генерировали СВЧ колебания.

Последующие эксперименты показали, что подобные же явления (генерация СВЧ колебаний) могут наблюВндаться и на диодах другой структуры: диффузионных на базе n-германия, сплавных германиевых диодах с резВнким р-п переходом, диффузионных и сплавных кремниеВнвых диодах и т. д.

Таким образом, была установлена возможность эфВнфективной (с КПД > 1%) генерации, а также усилеВнния СВЧ колебаний полупроводниковым диодом, вольтамперная характеристика которого не имеет ВлпадающихВ» участков или, иначе говоря, не имеет ВлстатическогоВ» отВнрицательного сопротивления.

Физическая приВнрода этого динамического отрицательного сопротивления связана с процессом ударной ионизации в р-п переходе и с взаимодействием образованной при этом лавины свободных носителей тока (электронов и дырок) с выВнсокочастотным полем в слое объемного заряда (запойВнном слое) обратно смещенного р-п перехода. ДействиВнтельно, известно два основных механизма резкого возВнрастания тока в обратно смещенном р-п переходе тАФ лаВнвинный пробой вследствие ударной ионизации атомов кристалла подвижными электронами и дырками и эфВнфект Зинера тАФ туннельный переход носителей заряда из заполненной зоны одного полупроводника в свободную зону другого. Эффект Зинера проявляется лишь в достаточно узких р-п переходах с напряжением пробоя меньше 5 В для германия. В нашем случае это напряжение превышало 20 В, так что возрастание тока можно было целиком отнести за счет ударной иониВнзации. Исследования подтвердили это предположение, и диоды, в которых наблюдался эффект генерации СВЧ колебаний, были названы лавинно-пролетными.

2 ДИОДЫ С ПОЛЕВОЙ ЭМИССИЕЙ

Диоды с динамическим отрицательным сопротивлеВннием известны в вакуумной электронике уже 60 лет. Л. Левеллин экспериментально показал возможность создания на основе такого диода генератора СВЧ. Схема подобного генератора включает диодный промеВнжуток, ограниченный двумя электродами тАФ катодом и анодом, к которым приложена постоянная U0 и переВнменная U~ разности потенциалов, и внешний колебаВнтельный контур.

С термоэмиссионного катода в диодный промежуток поступает немодулированный поток электронов. Под дейВнствием переменного поля скорость электронов изменяВнется, и первоначально однородный электронный поток группируется. При этом средняя (за период) энергия взаимодействия электронов с переменным полем оказыВнвается отличной от нуля и зависящей от угла пролета электронов в диоде θ = ωτ (τтАФвремя пролета электроВннов). В определенных интервалах значений угла пролета

2πn < θ < (2n + 1) (n = 1, 2, ..).

Эта энергия отрицательна, т. е. происходит трансформация кинетической энергии электронов в энергию высокочастотного поля. В соответствующих диапазонах частот активное сопротивление диода отрицательно.

Однако поскольку группировка электронов и отбор высокочастотной мощности происходят в одном и том же пролетном пространстве при отсутствии в этом пространВнстве замедленных электромагнитных волн, эффективВнность такого взаимодействия невелика и абсолютная веВнличина активного сопротивления диода много меньше величины его реактивного (емкостного) сопротивления. Поэтому для создания автогенератора в СВЧ диапазоне приходится подключать к диоду внешний контур с высоВнкой добротностью и снимать с катода очень большие плотности тока. В связи с этим реализация подобных генераторов встретила значительные трудности и они не нашли практического применения.

Между тем существует принципиально простой споВнсоб резкого повышения эффективности диодных генераВнторов. Он заключается в замене модуляции электронов по скорости модуляцией по току на входе в диодный промежуток.

Допустим, что вместо термоэмиссионного катода в диоде используется какой-либо тип автоэмиссионного катода с достаточно резкой зависимостью тока эмиссии от напряженности электрического поля. В этом случае выходящий из катода поток электронов будет модулирован по плотности с частотой приложенного напряжения.

Активное сопротивление такого диода может принимать отрицательные значения и при отсутствии дополнительВнной группировки электронов в диодном промежутке. Это хорошо видно на пространственно-временной диаграмме движения электронов в диоде с полевой эмиссией, изоВнбраженной на рис. 4а. Сгустки электронов, вырванные из катода в моменты максимума высокочастотного поля, движутся сначала в ускоряющем, а затем в тормозящем поле, и, если угол пролета между катодом и анодом превышает π, активное сопротивление диода отрицательно и достигает максимальной величины при θ ≈ 3/2 π (рис. 1.2,а). Дополнительная группировка электронов за счет модуляции по скорости в диодном промежутке играВнет при этом второстепенную роль. Как условия возбужВндения, так и к. п. д. такого генератора могут быть знаВнчительно лучшими, чем у диодных генераторов со скоростной модуляцией электронов.

Рис. 4а относится к случаю, когда ток эмиссии мгноВнвенно следует за напряженностью электрического поля. Допустим теперь, что по каким-либо причинам ток эмиссии отстает во времени от напряженности электрического поля. Причины такого запаздывания эмиссии могут быть различными.

Рис. 1.1. Пространственно-вреВнменная диаграмма движения электронов в диоде с полевой эмиссией:

а) без запаздывания эмиссии;

б) с запаздыванием эмиссии.

Зависимость активного сопротивления такого диода от угла пролета электронов без учета элекВнтронного пространственного заряда схематически изобраВнжена на рис. 5б. В идеальном случае КПД такого генератора может достигать больших значений.

Рис. 5. Активное сопротивление диода с полевой эмиссией:

а) без запаздывания эмиссии;

б) с запаздыванием эмиссии.

В предыдущих рассуждениях мы исходили из чисто кинематической модели, пренебрегая влиянием объемВнного заряда на группировку электронов в диодном проВнмежутке. Между тем это влияние во многих вариантах диодных генераторов отнюдь не мало. Особенно сущеВнственна роль объемного заряда в диодах с полевой эмиссией, в которых электронный объемный заряд, сниВнжая напряженность электрического поля у катода, непоВнсредственно влияет на ток эмиссии. По существу элекВнтронный объемный заряд создает в диоде своеобразный механизм внутренней отрицательной обратной связи. Если ток эмиссии мгновенно следует за полем, то дейстВнвие этой отрицательной обратной связи сводится лишь к ограничению протекающего через диод среднего тока. Однако, если эмиссия инерционна, положение сущеВнственно меняется.

Отставание тока эмиссии от поля эквивалентно введениию в отрицательную обратную связь запаздывания, что существенно влияет на колебательные свойства сиВнстемы. Обладая определенными дисперсионными свойВнствами, такая обратная связь на одних частотах облегВнчает условия возбуждения автоколебаний в системе, сниВнжая требования к добротности внешнего резонансного контура, а на других, напротив, ухудшает эти условия вплоть до полного подавления автоколебаний. Более тоВнго, при некоторых условиях эта связь может оказаться достаточной, чтобы в диоде возникли собственные автоколебания, вообще не нуждающиеся во внешнем добротВнном резонансном контуре. В этом случае диодный проВнмежуток работает как автоколебательная система, создаВнвая во внешней активной нагрузке импульсы тока с чаВнстотой, определяемой временем запаздывания и скороВнстью ВлсрабатыванияВ» отрицательной обратной связи.

Колебательный процесс в таком генераторе можно схематически представить следующим образом (рис. 6).

Допустим, например, что время пролета электронов в диоде τ не зависит от высокочастотного поля и вдвое превышает время запаздывания эмиссии. Пусть в момент времени t=0 к диоду приложена разность потенциалов U0, создающая у катода напряженность поВнля Е=Е(0), превышающую на ΔE(0) критическое значение Enp, при котором начинается эмиссия электронов.

Рис. 6. Изменение во времени поля у катода Е(0) и тока IЭ в диоде с запаздывающей эмиссией.

При t=t1=τ3 возникает ток IЭ, величина которого определяется полем Е(0) и сохраняется неизменной в течение времени τ3. По мере увеличения объемного заряда в диодном промежутке поле у катода снижается и, если плотность тока эмиссии достаточно высока, принимает значения, меньшие Uпр. Эмиссия из катода длится в течение времени, несколько превышающего τ3, и затем прекращается. К аноВнду движется пакет электронов. В момент t2=τ+2τ3+Δτ≈3/2τ первые электроны пакета достигают анода, поле у катода начинает возрастать. К моменту t2=τ+2τ3+Δτ≈3/2τ весь пакет электронов выходит из пролетного пространства, поле у катода достигает начальной величины. Затем цикл повторяется. Длительность цикла, т. е. период колебаний, составляет, таким образом, около 2π/ω. Добавление поля электронного пространственного заряда нарушает описанные выше фазовые соотношения между током эмиссии и электрическим полем в диодном промежутке, в результате чего на частотах, ниже некоторого значения, активное сопротивление диода становится положительным. Эта так называемая харакВнтеристическая частота зависит от запаздывания и круВнтизны изменения тока эмиссии с полем; она близка к чаВнстоте собственных автоколебаний диода.

Изложенные соображения носят общий характер и полностью применимы не только к вакуумным, но и к диодам других типов тАФдиэлектрическим, полупроводВнниковым и т. п., с учетом, разумеется, специфики движеВнния носителей заряда в твердых телах. В частности, эти соображения имеет непосредственное отношение к мехаВннизму работы лавинно-пролетных диодов.

3 ПРИНЦИП РАБОТЫ ЛПД

Схематически механизм работы р-n ЛПД можно представить следующим образом. Рассмотрим для опреВнделенности запорный слой обратно смещенного плавноВнго p-n перехода (рис. 7). Он представляет собой учаВнсток полупроводника, в котором практически отсутствуВнют подвижные носители заряда, а приложенная к р-n переходу разность потенциалов компенсируется полем объемного заряда ионов примеси Nn и Np, положительВнным в одной части запорного слоя (n-слой) и отрицаВнтельным тАФ в другой (p-слой). Этот участок ограничен с обеих сторон нейтральными слоями полупроводника. Напряженность электрического поля Е максимальна в плоскости х=0, где объемный заряд ионов примеси меняет знак (плоскость технологического перехода). По мере увеличения напряжения смещения запорный слой расширяется и напряженность электрического поля возВнрастает. Когда поле в плоскости технологического переВнхода достигает некоторого критического значения Е = Еnp, начинается интенсивный процесс ударной ионизаВнции атомов кристалла подвижными носителями заряда, приводящий к лавинному умножению числа носителей и образованию новых электронно-дырочных пар.

Область, где происходит рождение носителей заряда, ограничена более или менее узВнким слоем тАФ так называемым слоем умножения, расВнположенным вблизи технологического перехода, где поле максимально (рис. 7). Образованные в слое умножеВнния электроны и дырки дрейфуют под действием сильного электрического поля к границе нейтрального полуВнпроводника через пролетные участки запорного слоя, причем дырки движутся через р-слой, а, электроны через п-слой. Так как напряженность электрического поля в большей части р-п перехода очень велика, то скорость дрейфа носителей практически постоянна и не завялит от поля.

Рис. 7. Схема плавного р-п перехода ЛПД:

а) запирающий слой;

б) распределение ионов примеси;

в) измение электрического поля.

Таким образом, обратно смещенный р-п переход при напряжении, близком к пробивному, представляет собой диодный промежуток, в котором роль катода играет слой умножения, а роль пролетного пространства тАФ остальная часть запорного слоя. Эмиссия такого катода носит ярко выраженный ВлполевойВ» характер тАФ ток, выВнходящий из слоя умножения, возрастает или убывает в зависимости от напряженности электрического поля в этом слое. Лавинная природа тока эмиссии обусловВнливает его инерционность тАФ для развития лавины требуВнется определенное время, так что мгновенное значение электрического поля определяет не саму величину лавинВнного тока, а лишь скорость его изменения во времени. Поэтому изменение тока не следует мгновенно за измеВннением электрического поля, а отстает от него по фазе на величину, близкую к π/2.

Такой р-п переход близок по свойствам к оптимальВнному варианту полевого диода, в котором ток эмиссии отстает от поля на четверть периода. Под действием приложенного к р-п переходу переменного напряжения из слоя умножения выходят ВлпакетыВ» носиВнтелей заряда, которые сразу попадают в тормозящее выВнсокочастотное поле, так что энергия взаимодействия этих носителей с полем отрицательна почти при любой шиВнрине р-п перехода. Отсутствие модуляВнции скорости носителей в этом случае лишь улучшает высокочастотные свойства диода.

Поэтому основные выводы о свойствах полевого диоВнда с запаздывающей эмиссией, сделанные выше, примеВннимы и к лавинно-пролетному диоду. Это касается, в частности, соображений о влиянии объемного заряда подВнвижных носителей на колебательные свойства генератора на лавинно-пролетном диоде. Попадая в пролетное пространство, основные носители частично нейтрализуют пространственный заряд ионов примеси и снижают поле в слое умножения. Этот эффект облегчает условия самоВнвозбуждения генератора на частотах выше характериВнстической и препятствует возникновению паразитных колебаний на более низких частотах, где активное соВнпротивление диода положительно.

Вместе с тем, ЛПД имеет специфические особенноВнсти, связанные с лавинной природой тока, из которых принципиальной является одна: сдвиг по фазе между полем и током в слое умножения, вследствие конечной ширины последнего, как правило, превышает π/2, и слой умножения сам по себе уже обладает отрицательным сопротивлением. В большинстве практически реализуеВнмых р-п структур этот эффект является второстепенным, однако для одного класса диодов он играет решающую роль, определяя основные особенности их высокочастотВнных характеристик.

Сдвиг фаз между током и напряжением на диоде определяется в этом случае инерционностью процесса ударной ионизации и пролетными эффектами во всем запорном слог. Вместе эти эффекты обеспечивают достаточно высокую эффективность взаимодействия носителей тока с высоВнкочастотным электрическим полем, сравнимую с эффекВнтивностью взаимодействия в ЛПД других типов.

Наряду с лавинно-пролетным могут, очевидно, суВнществовать и другие полуВнпроводниковые диоды с диВннамическим отрицательным сопротивлением. Так, наприВнмер, этим свойством должен в принципе обладать обратВнно смещенный р-п переход, в котором пробой связан не с ударной ионизацией, а с эфВнфектом Зинера (туннельным эффектом). Так как участок, где происходит рождение поВндвижных носителей тока, в этом случае локализован в тонком слое, где электричеВнское поле максимально, таВнкой полупроводниковый диВнод (его можно назвать Влтуннельно-пролетным диодомВ») должен быть, очевидно, анаВнлогичен по своим свойствам, вакуумному диоду с автоВнэмиссионным катодом. ЕсВнли возможно пренебречь инерцией туннельного эффекВнта, то в отличие от лавинно-пролетного диода в диоде Зинера ток и поле у ВлкатодаВ» следует считать синфазными. Как отмечалось выше, и в этом случае в определенВнных интервалах значений угла пролета носителей заряда активное сопротивление р-п перехода может быть отриВнцательным. Однако отсутствие запаздывания в механизВнме обратной связи, создаваемой объемным зарядом поВндвижных носителей, ухудшает условия самовозбуждения колебаний. Поэтому генераторы на диодах Зинера осуВнществить труднее, чем генераторы на лавинно-пролетных диодах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Современная техника СВЧ немыслима без применения полупроводниковых диодов. Видеодетектирование, гетеродинное смешение, усиление слабых сигналов, генерация гармоник, коммутация СВЧ мощности тАУ таковы функции, выполняемые в настоящее время полупроводниковыми диодами в СВЧ системах. Естественно, что такое многообразие применений приводит к многообразию требований, предъявляемых к характеристикам различных типов диодов. Чтобы удовлетворить этим требованиям, разработчик диодов имеет определенную свободу в выборе полупроводникового материала, из которого должны быть изготовлены диоды, его удельного сопротивления, технологии изготовления диода, его геометрии. Причем набор оптимальных электрофизических параметров полупроводникового материала и его геометрических размеров может быть сделан либо на основе эмпирического характера, либо на основе теории, дающей связь между электрофизическими параметрами полупроводника и его геометрическими размерами.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

А.С. Тагер, В.М. Вальд-Перлов. Лавинно-пролетные диоды и их применение в технике СВЧ. М., ВлСов.радиоВ», 1968.
С.Н. Иванов, Н.А. Пенин, Н.Е. Скворцова, Ю.Ф. Соколов. Физические основы работы полупроводниковых СВЧ диодов. М., 1965.
Пасынков В.В, Л.К. Чиркин, А.Д. Шинков. Полупроводниковые приборы и диэлектрикиВ». М., ВлВысш. школаВ», 1973.

Вместе с этим смотрят:

Лазер
Лазерная безопасность
Лазерные телевизоры
Лазеры на гетеропереходах