Лавинно-пролетные диоды

Лавинно-пролетный диод(ЛПД) – это полупроводниковый диод, работающий в режиме лавинного размножения носителей заряда при обратном смещении р-n-перехода и предназначенный для генерации сверхвысокочастотных колебаний.

Отличие ЛПД от туннельных диодов состо­ит, прежде всего в том, что отрицательное дифференциальное со­противление у них обнаруживается только в диапазоне СВЧ.

ЛПД представляют собой диоды с широкими р-n-переходами, время движения носителей в которых сравнимо с периодом рабочих СВЧ-колеба-ний.

Пример структуры ЛПД типа р⁺-п-п⁺ и схема его вклю­чения показаны на рис. 4,а. Как правило, ЛПД помещают в объемный резонатор, который представляет собой колебатель­ный контур диапазона СВЧ. К электродам диода приложено напряжение обратного смещения U_o и переменное напряжение с амплитудой U_m, существующее в резонаторе. Величины этих напряжений выбирают из условия

и . (7)

Кроме того, величина U_o должна быть такой, чтобы запорный слой занимал всю n-область и небольшие участки в р⁺- и n⁺-областях.

На рис. 4,б показано распределение напряженности электрического поля Е в структуре. Наибольшую величину напряженность поля Е имеет возле границы р⁺- и n-областей. Когда суммарное напряжение постоянной и переменной составляющих, приложенное к р⁺-n-переходу, превышает пробивное напряжение U_про6, начинается процесс ударной ио­низации в переходе − лавинный пробой (рис. 4).

Рис. 4. Структура ЛПД (а) и напряженность электрического поля в ней (б)

Пробой приводит к лавинообразному увеличению концентрации носи­телей заряда − электронов и дырок. Эти носители заряда под действием электрического поля Е дрейфуют в противополож­ных направлениях: дырки в р⁺-область, где рекомбинируют, а электроны − в n-область (пролетное пространство), а затем в n⁺-область (рис. 4,а). Время дрейфа дырок мало, т. к. они проходят небольшое расстояние. Электроны же движутся через протяженный n-слой в n⁺-область и затрачивают на это большее время.

Пробой продолжается только тот промежуток времени, пока

.

На рис. 5 – это время Δt.

Электроны, движущиеся в пролетном пространстве, об­разуют импульс тока длительностью Δt. За время пролета τ_п носителей заряда через пролетное пространство напряжение на диоде может успеть уменьшиться, если частота переменной составляющей большая. В диапазоне СВЧ время пролета срав­нимо с периодом колебаний.

Рис. 5. Эпюра, которая объясняет принцип работы ЛПД

Таким образом, из-за конечного времени пролета носителей (в данном случае электронов) появляется фазовый сдвиг между проходящим через диод током и приложенным к этому диоду переменным напряжением высокой частоты.

Фазовый сдвиг между током и напряжением определяется не только временем пролета τ_п, но и конечным временем, необ­ходимым для развития процесса ударной ионизации (лавины) τ_л. Эти два отрезка времени τ_п и τ_л для данной конструкции диода постоянны, а период высокочастотных колебаний зависит от частоты. Поэтому фазовый сдвиг φ будет различным на разных частотах.

Допустим, что время пролета τ_п вместе со временем раз­вития лавины τ_л равно половине периода колебаний некоторой частоты переменного напряжения (рис. 6). В этом случае пере­менный ток через диод будет отставать на полпериода от вы­звавшего его переменного напряжения. Увеличение напряжения сопровождается уменьшением тока, а уменьшение напряжения, наоборот, ростом тока. Это означает, что для данной частоты переменного напряжения в течение всего периода колебаний выполняется условие отрицательного дифференциального со­противления.

Рис. 6. Эпюра переменных токов и напряжений на ЛПД при сдвиге фаз φ = 180º

На других частотах будут другие значения фазового сдвига, и отрицательное дифференциальное сопротивление может обна­руживаться у ЛПД в течение только части периода высокочас­тотных колебаний. Анализ показывает, что дифференциальное сопротивление ЛПД является отрицательным на тех частотах, где фазовый сдвиг φ удовлетворяет условию

90º < φ < 270º.

Этот диапазон частот достигает сотен тысяч мегагерц.

Таким образом, ЛПД обладают отрицательным диффе­ренциальным сопротивлением только для СВЧ-колебаний. Статическая ВАХ их подобна ВАХ обычных диодов.

Всякий прибор с отрицательным дифференциальным сопротивлением может быть использован для генерации и усиления электромагнитных колебаний. Лавинно-пролетные диоды используются для генерации СВЧ-колебаний боль­шой мощности. При этом не обязательно подавать на лавинно-пролетный диод переменное напряжение необходимой частоты, что мы мысленно делали при рассмотрении принципа действия прибора. Лавинно-пролетный диод вместе с резо­нансной камерой, в которую его обычно помещают, способен выделять из импульсов, возникающих во время подачи постоянного смеще­ния, и усилить колебания определен­ной частоты.

Кроме рассмотренного лавинно-пролетного режима работы, который в английской литературе называют IMАТТ-режимом (сокращение от impact ionization avalanche transit time), лавинно-пролетные диоды могут работать и в режиме с захваченной плазмой или TRAPATT-режиме (trapped plasma avalanche triggered transit).

Принцип действия при этом режиме работы связан с тем, что скорость перераспределения электрического поля в структуре диода может значительно превышать скорость дрейфа носителей заряда.

На рис. 7 показано распределение напряженности электрического поля в слаболегированной n-области р⁺-п-п⁺-структуры лавинно-пролетного диода в различные моменты времени после включения диода на обратное напряжение, пре­вышающее пробивное напряжение. В первый момент t₁ напряженность электрического поля максимальна около металлургической границы. Именно здесь из-за ударной ионизации начинается образование электронно-дырочной плазмы. Это приводит к перераспределению электрического поля в n-области.

Рис. 7. Распределение напряженности электрического поля в слаболегированной n-области р-n-перехода в различные моменты времени при работе лавинно-пролетного диода в режиме с захваченной плазмой

В следующий момент времени t₂ ударная ионизация будет происходить в соседнем слое n-области. Скорость дрейфа носителей заряда ограничена даже в сильных электрических поляк скоростью насыщения. Скорость дрейфа электро­нов плазмы может оказаться значительно меньше скорости насыщения, если напряженность электрического поля в слое с плазмой успеет уменьшиться. Перераспределение напряженности электрического поля может произойти быстрее, если источник питания диода обеспечит большую плотность тока через диод (с учетом плотности тока смещения) и если концентрация примесей в слаболегированной области будет достаточна мала.

В результате фронт волны ионизации быстро пересекает всю n-область, которая заполняется высокопроводящей электронно-дырочной плазмой. Напряженность электрического поля в эти время (t₃ на рис. 7) и напряжение на диоде становятся малыми, что приводит к относительно медленному рассасывания носителей плазмы из p-n-перехода. Задержка экстракции носителей из p-n-перехода обусловила название «режим с захваченной плазмой».

Так как скорость направленного движения носителей заряда в лавинно-пролетных диодах в режиме с захваченной плазмой значительно ниже скорости насыщения, то частота генерируемых колебаний обычно не превышает 10 ТГц, в то время как пря лавинно-пролетном режиме эта частота может составлять не сколько сотен гигагерц. Другие отличия в свойствах и параметрах при различных режимах работы вызваны тем, что при лавинно-пролетном режиме уменьшение скорости дрейфа ниже скорости насыщения нежелательно, а при режиме с захваченной плазмой − наоборот. Поэтому большая амплитуда колебаний может быть получена в режиме с захваченной плазмой − до нескольких сотен киловатт при импульсной работе (при непрерывной работе − до нескольких ватт). А так как напряжение на диоде оказывается малым при больших токах и, наоборот, большим при малых токах, то КПД достигает 40% для диодов из арсенида галлия и кремния.

Лавинно-пролетные диоды имеют высокий уровень шума, присущий ударной ионизации, так как небольшие беспорядочные отклонения тока (дробовой шум) через электрический переход усиливаются при ударной ионизации в число раз, равное коэффициенту лавинного размножения М. Поэтому лавинно-пролетные диоды применяют только для генерации СВЧ-колебаний и не используют для усиления слабых сигналов. Поэтому же лавинный пробой используют для создания шумовых диодов.

ЛПД используют в усилителях средней мощности и генераторах СВЧ-диапазона. В качестве материалов для ЛПД применяют германий, кремний, арсенид галлия. Конструкция корпусов должна быть рассчитана на установку в резонаторы или линии передачи СВЧ-диапазона.