3.3. Приборы на пролетных эффектах

3.3.1. Общие сведения

Принцип работы лавинно-пролетных диодов (ЛПД) основан на возникновении отрицательного сопротивления в диапазоне сверхвысоких частот, которое обусловлено процессами лавинного умножения носителей и их пролета через полупроводниковую структуру. Появление отрицательного сопротивления связано с временным запаздыванием этих двух процессов, приводящим к фазовому сдвигу между током и напряжением. «Лавинное запаздывание» появляется за счет конечного времени нарастания лавинного тока, а «пролетное запаздывание» - за счет конечного времени прохождения носителями области дрейфа. Сопротивление диода отрицательно на некоторой частоте, если сумма этих времен равна полупериоду колебания.

Возникающее за счет пролетных эффектов в полупроводниковых диодах отрицательное сопротивление впервые изучил в 1954 г. Шокли, который считал, что двухконтактные приборы из-за структурной простоты обладают потенциальными преимуществами по сравнению с трехконтактными транзисторами. В 1958 г. Рид предложил конструкцию высокочастотного полупроводникового диода, в котором область лавинного умножения расположены на одном конце относительно высокоомного слоя, служащего дрейфовым пролетным пространством для генерируемых носителей заряда (т.е. р⁺– n – i – n⁺ или n⁺ - p – i – p⁺). Результаты малосигнальной теории подтвердили, что отрицательное сопротивление, обусловленное лавинно-пролетным эффектом, может возникать в обычном диоде p-n-переходом или контакте металл – полупроводник с произвольным профилем распределения примеси.

В настоящее время лавинно-пролетный диод является одним из самых мощных твердотельных источников СВЧ-излучения. ЛПД могут генерировать в непрерывном режиме наибольшую мощность в диапазоне частот, соответствующих миллиметровым длинам волн (т.е. свыше 30 ГГц). Однако следует сказать о трудностях, с которыми сталкиваются при работе ЛПД по внешней цепи: 1) высокий уровень шума; 2) необходимость тщательного расчета цепей (чтобы избежать расстройки или даже перегорания диода, поскольку реактивность большая и сильно зависит от амплитуды осцилляций).

Другим прибором на пролетном эффекте является инжекционно-пролетный диод (ИПД), название которого указывает на механизмы, лежащие в основе его работы. Поскольку в ИПД нет запаздывания, связанного с конечным временем нарастания лавины, предполагается, что эти приборы будут генерировать меньшие мощности при более низких к.п.д. по сравнению с лавинно-пролетными диодами. С дугой стороны, шум, связанный с инжекцией носителей заряда через барьер, меньше лавинного шума ЛПД. Низкий уровень шума и хорошая стабильность позволяют применять ИПД в качестве гетеродина. Инжекционно-пролетные диоды обладают большей мощностью и меньшей величиной минимального обнаружимого сигнала, чем ЛПД или приборы на эффекте междолинного перехода электронов при их использовании в качестве доплеровских детекторов. Родственным инжекционно-пролетному диоду является двухскоростной пролетный диод (ДСПД), в котором скорость носителей у одного контакта значительно меньше, чем у другого. До сих пор не было сообщений об экспериментальном наблюдении СВЧ-генерации в ДСПД. Тем не менее, согласно теоретическим оценкам, эти приборы будут иметь более высокие к.п.д. по сравнению с инжекционно-пролетными диодами, поскольку в ДСПД есть дополнительное запаздывание на время пролета области, в которой скорость носителей относительно низка.

Родственным ЛПД прибором является также пролетный диод с захваченным объемным зарядом лавины TRAPATT . Рабочая частота этого прибора намного меньше пролетной, а к.п.д. значительно выше, чем у ЛПД. В результате теоретических исследований было установлено, что при работе в режиме большого сигнала лавинный процесс начинается в области высокого поля, а затем быстро распространяется на весь образец, в результате чего последний заполняется высокопроводящей электронно-дырочной плазмой, пространственный заряд которой снижает напряжение на диоде до очень малых величин. Так как плазма не может быть быстро выведена из прибора, этот режим работы назван режимом с захваченным объемным зарядом лавины. Пролетные диоды с захваченным объемным зарядом лавины применяется в импульсных передатчиках и в радарах с фазными решетками.