5.1.1. Диоды
Диод Ганна схематически представлен на рис. 5.1, а.
Рис. 5.1. Диодные структуры: а - диоды Ганна, б - ЛПД, в - диоды с барьером Шоттки. Незаштрихованные области соответствуют GaAs; заштрихованные - сплавным омическим контактам; области, заполненные сеткой, - металлическим пленкам
Диод состоит из активной области длиной L, в которой концентрация легирующей примеси равна n, и двух омических контактов. Зависимость скорости переноса электронов от напряженности электрического поля, при которой возникает отрицательная дифференциальная проводимость в такой структуре, составляет 3,2кВ/м пиковая величина скорости электронов равна при этом 2,5×107 см/с.
На работу диодов Ганна оказывает влияние несколько факторов. Наиболее важными из них являются длина L активной области и концентрация n легирующей примеси в ней. При выполнении условия n·L>1012 см-2 в области катода образуются дипольные домены пространственного заряда. Эти домены перемещаются в область анода и исчезают там. Частота генерации диода определяется временем переноса домена через активную область. В зависимости от схемы включения, величины nL и величины напряжения смещения возможны и другие режимы работы диода. Наиболее распространенным применением диодов Ганна являются генераторы сигналов высоких частот, однако разрабатывались и усилители на их основе.
Диоды Ганна были первыми важными для практического использования приборами СВЧ - диапазона на GaAs. Тем не менее они нашли лишь ограниченное применение при создании ИМС. До разработки технологии изготовления высокочастотных полевых транзисторов на GaAs предпринимались последовательные усилия, направленные на использование диодов Ганна в качестве активных элементов цифровых ИМС. Однако в настоящее время исследования в этом направлении либо ограниченны, либо прекращены. Возможной областью использования диодов Ганна в интегральных схемах является, вероятно, генерация сигналов в миллиметровом диапазоне длин волн.
В лавинно-пролетных диодах (ЛПД) так же, как и в диодах Ганна, используется существование области отрицательной дифференциальной проводимости на вольтамперной характеристике приборов. Однако механизм возникновения такой области в ЛПД отличается от такового в диодах Ганна. Обычно ЛПД состоит из барьера Шоттки или p-n-перехода, смещенных в обратном направлении до возникновения лавинного пробоя, дрейфовой области и омического контакта. На рис. 5.1, б схематически показаны структуры ЛПД с одной и двумя дрейфовыми областями. В диодах с одной дрейфовой областью носители возникают вблизи барьера Шоттки и электроны движутся в направлении к омическому контакту. В диодах с двумя дрейфовыми областями генерация носителей происходит около центра структуры, затем электроны движутся по направлению к контакту n+, а дырки - по направлению к контакту p+. Возникновение отрицательного сопротивления связано с существованием конечных величин времени формирования лавины и дрейфа носителей. Эти времена определяют запаздывание изменений тока через структуру по отношению к напряжению на ней и создают условия возникновения отрицательной дифференциальной проводимости диода в СВЧ - диапазоне и в диапазоне миллиметровых длин волн.
Существует значительное количество различных типов структур ЛПД. В одной из наиболее известных структур, предложенной Ридом, чрезвычайно узкая область лавины граничит с внутренней дрейфовой областью (p+-n-i-n+- структура). Значительно проще структура ЛПД типа p+-n-n+. В этой структуре область лавины занимает почти третью часть области n-типа. Технология изготовления таких диодов значительно проще, чем диодов Рида, что связано с отсутствием у них внутренней дрейфовой области. Однако и эффективность работы диодов при этом оказывается значительно ниже. Сообщалось о разработке высокоэффективных ЛПД на структурах p+-n+-n-n+- типа. Как и диоды Рида, диоды этого типа имеют тонкую область лавины, однако при их изготовлении не требовалось производить легирования внутренней дрейфовой области исключительно низкими концентрациями примесей. Наиболее перспективным направлением применения ЛПД в ИМС является создание устройств генераторов сигналов миллиметрового диапазона для аналоговых схем. ЛПД так же, как и диоды Ганна, удобно использовать для генерации СВЧ - сигналов, однако в качестве усилителей их применять значительно труднее, так как необходимо обеспечить развязку входных и выходных цепей схемы с помощью циркуляторов или гибридных ответвлений. Включение таких элементов в состав ИМС СВЧ - диапазона не является целесообразным. Поэтому ЛПД находят широкое применение лишь в качестве генераторов относительно мощных сигналов.
Диоды Шоттки на GaAs являются важным элементом аналоговых и цифровых ИМС. Это определяется в значительной степени относительной простотой изготовления контактов Шоттки к GaAs. На рис. 5.1, в показаны три типа структуры диодов Шоттки, которые могут быть реализованы при изготовлении ИМС. Первым типом является обычная вертикальная структура, которая в основном аналогична структуре ЛПД с одной дрейфовой областью. Такая структура чаще всего применяется при изготовлении дискретных диодов, предназначенных для работы в качестве варакторов или смесителей. Ее можно использовать и при изготовлении ИМС на подложках из полуизолирующего GaAs, что приводит, однако, к некоторому усложнению технологического цикла из-за необходимости обеспечения доступа к контактным областям со стороны подложки. Другим типом структуры диодов Шоттки является планарная структура, применяемая главным образом при изготовлении диодов, предназначенных для смещения уровня сигналов и выполнения логических функций в цифровых ИМС. Величина прямого падения напряжения таких диодов определяется их площадью и протекающим током. Третья структура диодов Шоттки используется при изготовлении перестраиваемых варакторов для схем генераторов на полевых транзисторах в интегральном исполнении. Применение диодов такого типа позволяет за счет больших, чем у обычных варакторов, пределов изменения емкости, соответственно увеличить и диапазон перестройки частот генераторов. Расширение пределов изменения емкости у диодов на основе такой структуры объясняется тем, что при изменении величины обратного смещения изменяется и толщина обедненной области, и эффективная площадь диода.