14.2.2. Статический режим лпд

Рассмотрим основные процессы в ЛПД на примере диода со структурой типа р⁺—п—п (рис. 14.2, а) из кремния Si или арсенида галлия GaAs. Знаки «+» в символической записи профиля легирова­ния диода означают уровень легирования этих областей не менее 10¹⁸см^-3, в результате чего такие области полупроводника по элект­ропроводности приближаются к металлам.

При подаче на диод небольшого обратного напряжения U₀ ток через диод мал, по значению равен току насыщения I_нас, порождаемому

Рис. 14.2. Структура ЛПД (в), типичная ВАХ ЛПД (б) и картина электрического поля в обедненной области (в)

тепловой генерацией неосновных носителей, а само напряжение¹ U₀ почти целиком приложено к обедненному носите­лями слою шириной s. Напряженность электрического поля Е в обед­ненной области зависит от координаты х вследствие наличия про­странственного заряда примесных атомов в обедненной области и увеличивается вместе с U₀ (рис. 14.2, в). При достижении U₀ напря­жения пробоя U_пр электрическое поле в узкой зоне s вблизи металлургического перехода (плоскость смены типа легирования) превышает пробивное значение Е_пр = 200—500 кВ/см и ток во вне­шней цепи резко возрастает (рис. 14.2, б).

Ударная ионизация заключается, как известно, в том, что при достаточном запасе энергии движущийся в кристалле носитель заряда обретает способность перебросить валентный электрон в зону проводимости. Каждое ионизирующее «столкновение» рождает два дополнительных свободных носителя заряда: электрон и дырку. Эти последние, приобретая энергию от электрического поля, также вклю­чаются в процесс ударной ионизации. В результате может наступить лавинообразное нарастание тока.

Интенсивность (вероятность единичного события) ударной иони­зации в области Е Е_пр пропорциональна Е^a, где а = 5...7. Именно по этой причине так резок излом ВАХ при U_0пр.

14.2.3. Понятие о слое умножения и пролетном

пространстве ЛПД

Отмеченная специфическая зависимость ударной ионизации от Е приводит к тому, что практически все ионизирующие взаимодей­ствия происходят в узкой зоне n-области с наибольшими значениями Е. На рис. 14.2, в это участок (0,1...0,3)5. Данная область ЛПД называется слоем умножения и в качественном отношении выпол­няет ту же роль, что и катод радиолампы или эмиттер биполярного транзистора, т. е. является источником свободных носителей тока. В теории ЛПД используется также понятие эквивалентного слоя умножения, в котором, по предположению, совершаются все акты ударной ионизации.

Возникающие в слое умножения дырки в рассматриваемом несимметричном р—я-переходе быстро попадают в /?⁺-область, прак­тически не успевая провзаимодействовать с СВЧ-полем. Электроны, рожденные в актах ударной ионизации, после выхода из слоя умножения,

____________________

¹ В данной главе питающее напряжение обозначается именно как U₀, а привычный сим­вол Е резервируется для описания напряженности электрического поля.

движутся к аноду диода в оставшейся части n-области, называемой пролетным пространством, протяженностью w = s - 8 ~ * (0,7...0,9)s.

Дрейф носителей тока в пролетном пространстве совершается со скоростью насыщения v_нас, не зависящей от Е. Ограничение скорости дрейфа v_др электронов и дырок в сильных электрических полях — общее свойство полупроводников, отражающее специфику процес­сов рассеяния движущихся в кристалле микрочастиц. Из рис. 14.3 следует, что для электронов в кремнии и арсениде галлия (а это основные материалы для изготовления ЛПД) при температуре кристалла Т 300 К скорость насыщения _нас 1 * 10⁷ см/с, причем она практически достигается уже при Е = 10...20 кВ/см, т.е. при малых по сравнению с Е_пр напряженностях поля.

В сильных электрических полях случайная компонента скорости электронов, обусловленная процессами рассеяния, существенно пре­вышает скорость дрейфа, характеризующую среднее смещение облака микрочастиц под действием поля. Хаотическое движение час­тицы массой m описывается ее эквивалентной температурой Т_э, определяемой из равенства средних значений кинетической и тепло­вой энергии частицы:

Рис. 14.3. Ограничение скорости дрейфа электронов в сильном электрическом поле

Здесь — вектор мгновенной скорости электрона; k_Б — постоянная Больцмана, k_Б = 1,38 *10^-23 Дж/К. Подсчеты показывают, что в области насыщения скорости дрейфа эквивалентная температура «электронного газа» составляет 10... 10⁵ К. В этом смысле ЛПД иногда называют прибором на «горячих» электронах.

Изложенное выше позволяет представить структуру ЛПД в виде последовательного соединения трех участков: слоя умножения, про­летного пространства и области базы диода с низким активным сопротивлением.