2.5 Балл
Задача №2.
Диоды с отрицательным динамическим сопротивлением.
Нарисовать типовое распределение по координате легирующей примеси, концентрации подвижных носителей заряда, статического поля и скорости дрейфа для двух структур из списка диодов с отрицательным динамическим сопротивлением (выбор произвольный из вышеприведенного списка, но один прибор должен быть с использованием арсенида галлия, а второй – кремневый).
Представьте прибор как слоистую структуру.
Определить частоту генерации ЛПД и ДГ с бегущим доменом при длине активной области .
.
А) Si: Лавинно-пролетный диод (диод Рида)
Рисунок 13
Структура диода Рида.
Распределения по координате концентраций подвижных носителей заряда
Типовое распределение по координате легирующей примеси.
Распределения по координате электрического поля.
Распределения по координате скорости дрейфа.
При подаче замирающего напряжения структура диода Рида обеспечивает локализацию сильного электрического поля в узкой области p+-n перехода. При увеличении обратного напряжения поле в этой области может достичь порогового значения, тогда начинается лавинное умножение количества носителей. Протяженность области ударной ионизации (лавинного умножения) невелика. Образующиеся дырки увеличиваются внутренним электрическим полем перехода в p+-область, а электрона, попадая в i-слой, движутся к n+-области в постоянном электрическом поле. Если напряженность электрического поля в слаболегированной области велика, то скорость электронов остается постоянной и равной скорости насыщения. При этом дифференциальная подвижность электронов близка к нулю, при движении электронов не происходит уменьшения объемной плотности заряда.
Б) GaAs: Диод Ганна
Рисунок 14 – Распределение по координате электрического поля
Рисунок 15 – Распределения по координате концентраций подвижных носителей заряда
Рисунок 16 – Распределения по координате скорости дрейфа
Рисунок 17 – Распределения по координате легирующих примесей
При напряжении больше порогового в однородном образце локальное повышение концентрации электронов приводит к появлению отрицательного заряженного слоя, перемещающегося вдоль образца от К к А (от отрицательного электрода к положительному). Возникающие при этом внутренние эл.п. накладываются на постоянное поле, увеличивая напряженность поля справа от слоя и уменьшая ее слева. Скорость электронов справа от слоя уменьшается, а слева возрастает. Это приводит к дальнейшему нарастанию движущегося слоя накопления и к соответствующему перераспределению поля в образце.
Представьте прибор как слоистую структуру.
А) структура ЛПД (диод Рида):
Рисунок 18 – Структура ЛПД
Лавинное умножение носителей в диоде Рида реализуется в сравнительно тонком слое, представляющем собой виртуальный катод в приконтактной области p+-n перехода. Генерируемые в слое дырки сразу же уходят в p+-область, а пакеты электронов дрейфуют со скоростью насыщения через дрейфовое пространство (i-область).
Б) структура ДГ:
Рисунок 19 – Структура ДГ
Диод Ганна – это устройство из полупроводникового материала, не имеющее p-n переходов. Весь ДГ имеет один вид проводимости, однако крайние части сильнее легированы. Эти слои п/п с повышенной концентрацией примесей служат для создания омических контактов.
Определить частоту генерации ЛПД и ДГ с бегущим доменом при длине активной области . .
Дано:
Найти:
Решение:
У кремния и арсенида галлия скорость равна 105 м/с.
Для ЛПД:
Для ДГ:
Ответ:
Источники: материал из лекций по МЭ, «Микроволновые приборы и устройства: Лабораторный практикум.» Издательства СПбГЭТУ «ЛЭТИ», URL: http://www.club155.ru/diods-uhf-generator
1 балл
Задача №3.
Транзисторы
Сравните максимально возможную толщину базы Биполярного транзистора и длину затвора Полевого транзистора при работе на частоте
.
Оцените угол пролета в обоих случаях.
Свяжите с решением задачи №3 из 1-го
задания.
Дано:
Найти:
Решение:
А) Для полевого транзистора:
где
длина затвора;
скорость
насышения электрона в пролетной области,
;
τ – время пролета,
.
Б) Для биполярного транзистора:
где
толщина базы;
коэффициент диффузии неосновных
носителей заряда
Примем
для GaAs; τ – время пролета базы,
.
А)
p-n-p
транзистор:
Б)
n-p-n
транзистор:
Отличие в размерах между биполярным и полевым транзистором находится в пределах одного порядка, что весьма мало.
Ответ:
(для
p-n-p);
(для n-p-n).
Обратимся к задаче №3 из задания 1, в которой угол пролета считался по формуле:
Тогда
для полевого транзистора:
Для
биполярного транзистора:
(p-n-p);
(n-p-n)
(для
p-n-p)
(для
n-p-n)
Из расчётов видно, что угол пролета у биполярного зависит от коэффициента диффузии, т.е. от самого материала, и не зависит от скорости насыщения, как полевой транзистор.
Сравните преимущества и недостатки использования в микроволновом диапазоне HEMT-приборов и транзисторов с баллистическим транспортом. Какова должна быть толщина высоколегированной области HEMT c
,
если контактная разность потенциалов
равна
Сравнение:
Преимущества HEMT:
Высокая подвижность электронов
Можно работать на высоких частотах (ГГц)
Высокая переходная проводимость
Быстродействие
Малый уровень шумов
Недостатки: Будет выигрыш либо по мощности, либо по быстродействию.
Преимущества транзисторов с баллистическим транспортом:
Очень высокая подвижность электронов
Короткий канал (меньше длины свободного пробега электрона)
Работают почти без рассеяния
Малая потребляемая мощность
Выделятся мало тепла
Очень малый уровень шумов
Можно использовать как линейный усилитель и как переключатель
Возможность работать на высоких частотах (ТГц)
HEMT-транзисторы – полевые транзисторы с высокой подвижностью электронов в канале. Современные HEMT-транзисторы являются наиболее высокочастотными и быстродействующими приборами среди всех типов полевых транзисторов и при этом обладая достаточно низким уровнем шумов.
Для транзисторов с баллистическим транспортом характерны малый уровень шума при низких температурах, малые размеры, малая потребляемая мощность и высокая скорость переключений. Эти транзисторы являются перспективным направлением для терагерцового диапазона.
Дано:
Найти:
Решение:
Ответ:
