Физика полупроводниковых приборов [РТФ, Смирнов, 4 семестр] / 7_Полупроводниковые приборы для СВЧ-электроники
.pdf
ФИЗИКА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ
Тема 7. Полупроводниковые приборы для СВЧ-электроники
Смирнов В.И.
кафедра ПиТЭС, УлГТУ
7.1Полупроводниковые приборы для СВЧ-электроники
СВЧ-излучение характеризуется частотой электромагнитных колебаний от 300 МГц до 300 ГГц и длиной волны от 1 м до 1 мм.
Области использования СВЧ-излучения:
-цифровое телевидение и радиовещание;
-сотовая, спутниковая и оптоволоконная связь;
-радиолокация и радионавигация;
-вычислительная техника;
-СВЧ-печи для бытовых и промышленных нужд;
-медицина – лечение и диагностика различных заболеваний.
Частотные диапазоны строго регламентированы. Например, для спутниковой связи интервал частот от 1 до 40 ГГц разделен на диапазоны:
L (1–2 ГГц), S (2–4 ГГц), С (4–8 ГГц), Х (8–12 ГГц), Ku (12–18 ГГц), К (18–
27 ГГц) и Ka (27–40 ГГц).
Примеры СВЧ-диодов: импульсные диоды с малым τвос,, p-i-n-диоды, варикапы, диоды Шоттки, туннельные и обращенные диоды.
Есть еще лавинно-пролетные диоды и диоды Ганна.
Примеры СВЧ-транзисторов: транзисторы с высокой подвижностью электронов и гетерополярные биполярные транзисторы.
6.2 |
Лавинно-пролетные диоды |
ЛПД – это полупроводниковый диод, принцип действия которого основан на лавинном пробое p-n-перехода и влиянии времени пролета носителей через диод. Основное назначение ЛПД – генерация электромагнитных колебаний в сантиметровом и миллиметровом диапазонах длин волн.
а) Структура ЛПД; б) Распределение Е в ЛПД;
в) Распределение М в ЛПД
Пусть к структуре p+-n-n+ приложено Uобр, равное
сумме U0 и U~ = U1∙cos ωt.
U0 ≤ Uпроб, но при сложении с U~∙оно может быть > Uпроб.
Возникает узкая область пробоя (М>>1).
Во внешней цепи диода появляются импульсы тока с периодом, равным периоду переменного напряжения U~. При определенных условиях этот сигнал может быть чисто синусоидальным, но сдвинутым по фазе относительно U~ . Сдвиг фаз зависит от времени развития лавинных процессов и от времени пролета
носителей от места их образования до внешнего вывода.
6.3 |
Лавинно-пролетные диоды |
Временные зависимости I и U в ЛПД при сдвиге фаз 180°
Временные зависимости I и U в ЛПД при сдвиге фаз 90°
Если φ = 180°, то для данной частоты возникает отриц. дифф. сопр-ние (ОДС). Если уменьшить частоту то сдвиг фаз будет другим, например, φ = 90°. В этом случае ОДС возникает через каждые четверть периода (чередуясь).
Таким образом, ЛПД обладают ОДС только в некотором диапазоне частот переменного напряжения внешнего источника.
В действительности для работы ЛПД не обязательно подавать на него переменное напряжение нужной частоты. Обычно ЛПД помещают в специальную резонансную камеру, где он способен выделить из совокупности импульсов, возникающих при подаче на ЛПД постоянного напряжения
U ≤ Uпроб, импульсы нужной (резонансной) частоты.
6.4 |
Лавинно-пролетные диоды (продолжение) |
Возможность получения ОДС является важной особенностью ЛПД, |
|
определяющей его применение в СВЧ-устройствах. С помощью ОДС |
|
можно компенсировать потери энергии в колебательном LC-контуре. |
|
Источник напряжения U0 вместе с Rогр задает рабочую точку на ВАХ диода, при которой он при резонансной частоте контура обладает ОДС.
Если ОДС способно компенсировать потери энергии в контуре, то возникнут незатухающие колебания, частота
Генератор СВЧ-колебаний с ЛПД которых определяется резонатором..
Величина ОДС зависит от постоянной составляющей тока через диод. Ток, соответствующий началу самовозбуждения, называется пороговым. Физически компенсация потерь в контуре означает, что носители заряда
в ЛПД движутся против переменного электрического поля, создаваемого контуром, и, тем самым, передают ему свою энергию, поддерживая амплитуду колебаний постоянной.
6.5 |
Лавинно-пролетные диоды (продолжение) |
|
Генераторы СВЧ-колебаний с ЛПД в объемных резонаторах работают |
вдиапазоне частот 0,1–340 ГГц. В непрерывном режиме их КПД ~ 10%, а
вимпульсном режиме десятки процентов.
Их недостатком является относительно высокий уровень собственных шумов, обусловленный процессами ударной ионизации.
Они активно используются в приемо-передающих модулях АФАР, радиомаяках, генераторах накачки параметрических усилителей, связных и телеметрических передатчиках, РЛС малой мощности, а также для создания генераторов шума СВЧ-диапазона.
В ЛПД с однородным легирования довольно большая длина слоя размножения (порядка 25–30% от всей длины n-области). Поэтому часть напряжения СВЧ-колебаний падает на слое размножения, в пределах которого нет передачи энергии носителей заряда переменному полю. В результате КПД таких генераторов на ЛПД не превышает 15–20%.
Повысить КПД можно, используя неоднородное легирование n-области дрейфа, что сокращает слоя размножения до 0,15–0,2 мкм. Используют также двухпролетные ЛПД, в которых есть общий слой размножения и две области дрейфа (n-область для электронов и р-область для дырок).
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 d2 E |
Диоды Ганна |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
0 |
6.6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
m |
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
dk |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Эффективная масса носителей заряда в полупроводниках |
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
m0V2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
Кинетическая энергия Е свободного электрона |
|
|
p2 |
|
|
|
|
2k2 |
||||||||||||||
|
массой m0 определяется выражением: |
|
|
E |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, |
|||||||||
|
|
|
2 |
|
|
2m |
0 |
|
2m |
0 |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
где p=m0V – импульс электрона, равный p= hk/2π (k –волновой вектор) |
||||||||||||||||||||||
|
|
|
Продифференцировав дважды d2 E |
|
2 |
Отсюда: |
|
|
2 |
d2 E |
1 |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
m0 |
|
|
|
|
. |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
энергию Е по k, получим: |
|
dk |
2 |
|
m0 |
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dk |
|
|
|
|
|||||||||
Движение электрона в кристалле можно описать законами классической механики, считая его частицей с эффективной массой m*, определяемой таким же выражением, что и для свободного электрона.
Для электрона в кристалле зависимость E(k) носит сложный характер.
Дисперсионная зависимость E(k) для GaAs
Особенность - два минимума E(k) в центральной и боковой «долине» .
В GaAs имеются «легкие» и «тяжелые» электроны, отличающиеся подвижностью μ.
|
6.7 |
Диоды Ганна |
В слабых электрических полях электроны находятся в центральной долине и являются «легкими». В сильных полях часть из них переходят в боковую долину, где они становятся «тяжелыми».
Плотность тока j согласно закону Ома будет определяться выражением:
j=q∙(n1 µ1 + n2 µ2)∙ε,
где n1 и n2 – концентрации электронов в центральной и боковой долинах; ε – напряженность электрического поля.
Участок 1 соответствует условию ε < εпор, участок 3 – условию ε > εпор.
На участке 2 имеется отрицательное дифференциальное сопротивление,
В реальных условиях отрицательное
дифференциальное сопротивление Зависимость плотности тока проявляется очень слабо (кривая 4).
от напряженности поля
6.8 |
Диоды Ганна |
|
|
|
Генерация электромагнитных колебаний в диоде Ганна |
Пусть к кристаллу GaAs n-типа приложено напряжение, создающее в |
|
электрическое поле ε (ε ≤ εпор). Концентрация «легких» электронов n1 ≈ n0 и плотность тока j через кристалл описывается выражением: j=q∙n0∙µ1∙ε
Распределение n и ε в диоде Ганна |
Распределение n и ε в диоде Ганна |
в начальный момент времени |
после формирования домена |
6.9 |
Диоды Ганна |
Процесс образования домена и его движение по кристаллу от К к А…
Изменение скорости дрейфа Vдр «легких» электронов в процессе образования домена вызывает пульсации тока во внешней цепи диода Ганна.
Интервал от t0 до t1 – процесс образования домена и перераспределение напряженности ε по кристаллу.
В интервале от t1 до t2 происходит перемещение домена от катода к аноду.
Процесс генерации импульсов во внешней цепи диода Ганна
В интервале от t2 до t3 происходит разрушение домена, сопровождаемое
ростом ε за пределами домена и увеличением тока во внешней цепи.
Период следования импульсов Т определяется временем перемещения домена по кристаллу, которое зависит от скорости Vдр «легких» электронов и толщины кристалла.