Твердотельная электроника.-3

346

ной плотности шума в заданном диапазоне рабочих температур к абсолютному изменению температуры окружающей среды при постоянном токе:

Обратный ток, предшествующий лавинному пробою, и пробивное напряжение при лавинном пробое увеличиваются с ростом температуры. В результате участок ВАХ, соответствующий наибольшей интенсивности шумов, смещается с изменением температуры в область больших токов и напряжений. Поэтому знак и значение температурного коэффициента спектральной плот-

ности шума могут быть различными при разных постоянных токах, при которых производят измерениеTKSш шумового диода.

Лавинно-пролетные диоды

Лавинно-пролетный диод – это полупроводниковый диод, работающий в режиме лавинного размножения носителей заряда при обратном смещении электрического перехода и предназначенный для генерации сверхвысокочастотных колебаний.

Генерация электромагнитных СВЧ-колебаний может возникать в диодах с различной структурой. В качестве примера рассмотрим процессы, происходящие в структуре p+-n-n+ при обратном напряжении, имеющем постоянную и переменную составляющие. Когда суммарное напряжение превышает пробивное, начинается ударная ионизациялавинный пробой. Пары элек- трон-дырка, генерируемые в узкой части p-n перехода вблизи металлургической границы, где напряженность электрического поля достаточна для ударной ионизации, разделяются полем (рис. 5.13). Ток, вызванный движением новых носителей заряда, проходит до тех пор, пока эти носители не выйдут из p-n перехода. За время пролета носителей заряда через переход(в нашем примере

– электронов) напряжение на диоде может успеть уменьшиться, если частота переменной составляющей будет большой. Таким образом, из-за конечного времени пролета носителей появляется фазовый сдвиг между проходящим через диод током и прило-

347

женным к этому диоду переменным напряжением высокой частоты.

Фазовый сдвиг между током и напряжением определяется не только временем пролета, но и инерционностью процесса развития лавины при ударной ионизации. Действительно, момент времени приобретения носителем заряда достаточной для ионизации энергии, вероятнее всего, не совпадает с моментом столкновения этого носителя с одним из атомов полупроводника, т. е. с моментом ионизации.

0

Рисунок 5.13. Структура лавинно-пролетного диода (а), распределение напряженности электрического поля по структуре (б) и положение рабочей точки (постоянного смещения)

на ВАХ (в)

Кроме того, для приобретения добавочной энергии также необходимо некоторое время.

Допустим, что время пролета вместе с временем, определяемым инерционностью ударной ионизации, равно половине периода колебаний некоторой частоты переменного - на пряжения (рис.5.14,а). В этом случае переменный ток через диод будет отставать на полпериода от вызвавшего его переменного напряжения. Нарастание напряжения все время будет сопровождаться уменьшением тока, а уменьшение напряжения, наоборот, ростом тока. Это свидетельствует о том, что для данной частоты переменного напряжения в течение всего периода колебаний выполняется условие отрицательного дифференциального сопротивления.

348

При понижении частоты переменного напряжения(при увеличении периода колебаний) ток будет отставать от напряжения на угол, меньший 180°, так как время пролета и инерционность ударной ионизации остаются теми же. Когда с понижением частоты переменного напряжения фазовый сдвиг между током и напряжением будет составлять четверть периода, условия отрицательного дифференциального сопротивления будут выполняться на протяжении только половины периода, чередуясь через каждые четверть периода с условиями положительного дифференциального сопротивления(рис. 5.14,б). В этом предельном случае в среднем за период лавинно-пролетный диод не будет обладать отрицательным дифференциальным сопротивлением.

а)

Рисунок 5.14. Зависимости напряжений и токов, иллюстрирующие появление отрицательного дифференциального сопротивления лавинно-пролетного диода:

а) при сдвиге фаз 1800, возникающем на больших частотах переменной составляющей напряжения, б) при сдвиге фаз 900, соответствующем меньшим частотам переменной составляющей напряжения и отсутствию отрицательного дифференциального сопротивления в среднем за период

Аналогично с повышением частоты переменного напряжения отрицательное дифференциальное сопротивление пропадает при фазовом сдвиге между током и напряжением, достигающем 2700. Таким образом, лавинно-пролетные диоды обладают отрицатель-

349

ным дифференциальным сопротивлением только для СВЧ-коле- баний.

Всякий прибор с отрицательным дифференциальным сопротивлением может быть использован для генерации и усиления электромагнитных колебаний. Лавинно-пролетные диоды используют для генерации СВЧ-колебаний большой мощности. При этом не обязательно подавать на лавинно-пролетный диод переменное напряжение необходимой частоты, что мы мысленно проделали при рассмотрении принципа действия прибора. Лавинно-пролетный диод вместе с резонансной камерой, в которую его обычно помещают, способен выделить из импульсов, возникающих во время подачи постоянного смещения, и усилить колебания определенной частоты.

Лавинно-пролетные диоды впервые были созданы в СССР

на основе открытого А.С.Тагером с сотрудниками эффекта - ге нерации и усиления СВЧ-колебаний при лавинном пробое.

Кроме рассмотренного лавинно-пролетного режима работы, который в английской литературе называютIMPATT-режимом

(сокращение от impact ionization avalanche transit time), лавинно-

пролетные диоды могут работать и в режиме с захваченной плазмой или TRAPATT-режиме (trapped plasma avalanche triggered transit).

Принцип действия при этом режиме работы связан с ,тем что скорость перераспределения электрического поля в структуре диода может значительно превышать скорость дрейфа носителей заряда. На рис. 5.15 показано распределение напряженности электрического поля в слаболегированнойn-области p+-n-n+

структуры лавинно-пролетного диода в различные моменты времени после включения диода на обратное напряжение, превышающее пробивное напряжение.

В первый момент (t1) напряженность электрического поля максимальна около металлургической границы. Именно здесь из-за

350

дрейфа носителей заряда ограничена даже в сильных электрических полях скоростью насыщения

Рисунок 5.15. Распределение напряженности электрического ноля в слаболегированнойn-области p-n-перехода в различные моменты времени при работе лавинно-пролетного диода в режиме с захваченной плазмой

Скорость дрейфа электронов плазмы может оказаться значительно меньше скорости насыщения, если напряженность электрического поля в слое с плазмой успеет уменьшиться. Перераспределение напряженности электрического поля может произойти быстрее, если источник питания диода обеспечит большую плотность тока через диод(с учетом плотности тока смещения), и если концентрация примесей в слаболегированной области будет достаточна мала.

В результате фронт волны ионизации быстро пересекает всю n-область, которая заполняется высокопроводящей электроннодырочной плазмой. Напряженность электрического поля в это время (t3 на рис.5.14) и напряжение на диоде становятся малыми, что приводит к относительно медленному рассасыванию носителей плазмы из р-n перехода. Задержка экстракции носителей из р-n перехода обусловила название«режим с захваченной плазмой».

Так как скорость направленного движения носителей -за ряда в лавинно-пролетных диодах в режиме с захваченной плазмой значительно ниже скорости насыщения, то частота генерируемых колебаний обычно не превышает 10 ГГц, в то время как при лавинно-пролетном режиме эта частота может составлять несколько сотен гигагерц. Другие отличия в свойствах и параметрах при различных режимах работы вызваны тем, что при

351

лавинно-пролетном режиме уменьшение скорости дрейфа ниже скорости насыщения нежелательно, а при режиме с захваченной плазмой — наоборот. Поэтому бóльшая амплитуда колебаний может быть получена в режиме с захваченной плазмой — до нескольких сотен киловатт при импульсной работе (при непрерывной работе — до нескольких ватт). А так как напряжение на диоде оказывается малым при больших токах и, наоборот, большим при малых токах, то КПД достигает 40% для диодов из арсенида галлия и кремния.

Лавинно-пролетные диоды имеют высокий уровень шума, присущий ударной ионизации, так как небольшие беспорядочные отклонения тока (дробовóй шум) через электрический переход усиливаются при ударной ионизации в число раз, равное коэффициенту лавинного размножения М. Поэтому лавинно-пролет- ные диоды применяют только для генерации СВЧ-колебаний и не используют для усиления слабых сигналов. Поэтому же лавинный пробой используют для создания шумовых диодов.

5.7. Туннельные и обращенные диоды Туннельный диод – это полупроводниковый диод, на пря-

мой ветви ВАХ которого имеется участок отрицательного дифференциального сопротивления N-типа. Отличительной особенностью p-n перехода туннельного диода является то, что он изготовлен на основе сильнолегированных(вырожденных) полупроводников.

Физической основой работы туннельного диода является эффект туннелирования носителей через очень узкую область пространственного заряда.

19 -3

При высокой степени легирования(>10 см ) полупроводники становятся вырожденными, в них уровень Ферми заходит в зоны разрешенных энергий (рис. 5.16). При этом все уровни между ЕF и ЕС в n-полупроводнике - заняты, а уровни между Еv и ЕF в p-полупроводнике – свободны.

На рисунке 5.17 приведены зонная диаграмма ЭДП туннельного диода в состоянии термодинамического равновесия.

Рисунок 5. 16. Зонные диаграммы вырожденных полупроводников n- и p-типов

jk0

Еv

ЕF ЕF Ес

Еv

Рисунок 5.17. Зонная диаграмма p-n-перехода туннельного диода

В силу высокой степени легирования высота потенциального барьера jk0 велика (больше ширины запрещенной зоны). По-

этому переход основных носителей через этот барьер невозможен, а количество неосновных носителей ничтожно мало. Обмен носителями между p- и n-областями за счет туннелирования равновероятен, так что ток через диод при U = 0 также равен нулю. При приложении обратного смещения (рис.5.18) возникает ситуация аналогичная туннельному пробою.

Из-за наличия сильного электрического поля и малого зазора между зонами электроны, находящиеся в интервале энергий DW , туннелируют из p- в n-область, создавая достаточно большой ток, т.е. при обратном смещении через туннельный диод протекает большой ток.

353

Рисунок 5.18. Зонная диаграмма ЭДП туннельного диода (а) и обратная ветвь ВАХ (б) при обратном смещении перехода.

Вид прямой ветви ВАХ туннельного диода поясняет .рис

5.19, а - д.

В диоде без внешнего напряжения существует туннелирование электронов из n-области в р-область и обратно. Встречные потоки электронов равны, поэтому суммарный ток через диод равен нулю (рис. 5.19,а).

При небольшом прямом напряжении на туннельном диоде происходит уменьшение высоты потенциального барьера р-n перехода или смещение энергетической диаграммыn-области относительно энергетической диаграммы р-области. Свободные энергетические уровни р-области(занятые дырками), расположенные непосредственно над уровнем Ферми, оказываются на одной высоте по энергетической диаграмме или при одних и тех же значениях с энергетическими уровнямиn-области, занятыми электронами (рис. 5.19,б). Поэтому будет происходить преимущественное туннелирование электронов изn-области в р- область.

При прямом напряжении на диоде, когда свободные энергетические уровни валентной и примесной зон р-области окажутся на одной высоте с занятыми электронами энергетическими уровнями зоны проводимости и примесной зоны n-области, туннельный ток через диод будет максимальным (рис. 5.19,в).