1.9. Лавинно-пролетные диоды

Лавинно-пролетным диодом (ЛПД) называется полупроводниковый диод, работающий в режиме лавинного размножения носителей заряда при обратном смещении p-n-перехода и предназначенный для генерации СВЧ-колебаний.

В режиме лавинного пробоя лавинно-пролетный диод обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением. Отрицательное дифференциальное сопротивление у ЛПД проявляется лишь в узком диапазоне СВЧ и объясняется сдвигом фаз между СВЧ-напряжением, приложенным к диоду, и током подведенным во внешней цепи. На других частотах оно не проявляется. Фазовый сдвиг между током и напряжением определяется временем пролета носителей заряда и инерционностью процесса развития лавины.

Пролетный режим работы ЛПД CIMPATT–AvaCancheTransitTime– ударная ионизация пролетное время основан на использовании лавинного пробоя и эффекта времени пролета носителей в обедненной области. В качестве ЛПД используют структурыp⁺-n-n⁺,p⁺-n-i-n⁺. Рабочая точка ЛПД находится на участке лавинного пробоя диода (рис. 1.22).

На рис. 1.23 представлены структура (а), схема распределения концентраций легирующих примесей (б), электрического поля (в) и коэффициента ударной ионизации (г). Коэффициентом ударной локализации называется количество электронно-дырочных пар, создаваемых на единице пути (1 см) электроном или дыркой. Максимальная напряженность электрического поля наблюдается в месте перехода n⁺-p. Электрическое поле резко убывает вn-области и остается практически постоянным вn-области. Лавинное умножение носителей происходит вn-области, которую называют областью лавинного умножения. Оставшуюся часть области пространственного заряда (ОПЗ) называют областью дрейфа.

Рис. 1.22

Рис. 1.23

При высокой напряженности электрического поля в области дрейфа наступает насыщение дрейфовой скоростью и электроны двигаются с постоянной скоростью.

Если время пролета носителей вместе с временем протекания ударной ионизации будет равно половине периода колебаний, то переменный ток будет отставать от вызвавшего его переменного напряжения на пол периода. Это свидетельствует о том, что для данной частоты колебаний будет выполняться в течение всего периода колебаний условие отрицательного дифференциального сопротивления. Это позволяет использовать ЛПД для генерации и усиления электромагнитных колебаний СВЧ.

ЛПД могут работать в режиме с захваченной плазмой. TRAPATT – режим (trapped plasma avalange triggered transit). В этом режиме скорость движения носителей заряда значительно ниже скорости насыщения вследствие чего частота генерируемых колебаний не превышает 10 ГГц.

ЛПД применяются для генерирования и усиления колебаний в диапазоне частот 1400ГГц. Мощность СВЧ-колебаний несколько сотен киловатт в импульсе, в непрерывном режиме несколько ватт.

ЛПД, помещенный в высокочастотный резонатор, настроенный на определенную частоту, способен генерировать СВЧ-колебания, когда на диод подается обратное напряжение, достаточное для возникновения в нем лавинного пробоя.

ЛПД имеют высокий уровень шума, связанный с процессом ударной ионизации. Поэтому их применяют для генерирования СВЧ-колебаний в диапазоне 7-50 ГГц.

1.10. p-i-n диоды

Полупроводниковый диод, предназначенный для управления уровнем и фазой СВЧ-сигнала, называется переключательным СВЧ-диодом. Применяются также термины ограничительные или коммутационные диоды. В зарубежной литературе используется термин pin-diodes.

Наибольшее распространение получили переключательные диоды со структурой p-i-nрис. 1.24.

Рис. 1.24

Области p⁺иn⁺легируются до вырождения, областьiимеет удельное объемное сопротивление до 1000 Ом∙см.

Работа pin-диода основана на изменении его полного электрического сопротивления при изменении полярности управляющего напряжения или тока.

При подаче прямого напряжения pin-диод для СВЧ-сигнала эквивалентен активному сопротивлению в доли Ома. При подаче обратного напряжения сопротивлениеpin-диода на СВЧ возрастает до нескольких килоом. Коэффициент изменения сопротивления при переключении полярности напряжения на диоде составляет обычно 10³и более раз.

На рис. 1.25 показаны эквивалентные схемы pin-диода на высоких частотах при прямом (рис.1.25, а) и обратном (рис. 1.25,б) смещениях.

Рис. 1.25

При прямом смещении диффузионные емкости р⁺_-iиn⁺_-iпереходов полностью шунтируют переходы. При прямом смещении сопротивлениеpin-диода будет определяться сопротивлением базы, модулированному прямым током.

~

В нормальных режимах ~1 Ом. При обратном смещении- сопротивлениеi-базы в немодулированном состоянии.

Переключательные pin-диоды используются в качестве коммутирующих устройств в СВЧ устройствах. Они применяются в фазированных антенных решетках.pin-диоды потребляют малую мощность в целях управления. Работают при уровнях СВЧ мощности в непрерывном режиме до 1 кВт, в импульсном до 1 мВт на частотах до 200 ГГц.