книги из ГПНТБ / Кацман, Ю. А. Электронные и квантовые приборы сверхвысоких частот учебное пособие

кает сквозь потенциальный барьер, не поднимаясь над его уровнем. Необходимыми условиями туннелирования явля-. ются: наличие, с одной стороны, р—«-перехода заполненных состояний, а с другой — свободных уровней с той. же энергией (рис. 28,а и в), достаточно малая высота и ширина потенци­ ального барьера.

Перечисленные условия могут быть выполнены при силь­ ном легировании полупроводников, когда за счет контактной разности потенциалов положение зон может оказаться таким, как показано на рис. 28,6.

При этом заполненная часть зоны проводимости «-области находится на одном уровне с верхней заполненной частью ва­ лентной зоны p-области, а электроны этих участков зон обла­ дают одинаковой энергией, и, следовательно, их взаимный переход не сопровождается обменом энергии с внешней сре­ дой. Препятствием к такому свободному обмену электронами между областями р и п является запрещенная зона. Для большинства широких р—«-переходов вероятность туннель­ ного прохождения электронов через потенциальный барьер запрещенной зоны чрезвычайно мала из-за малой напряжен­ ности электрического поля в переходе. Только при напряжен­ ностях порядка 106 В/см за счет туннельного эффекта через переход будет проходить значительное количество электро­ нов. При ширине р—«-перехода в туннельном диоде порядка 10_6 см и контактной разности потенциалов 0,6-г-0,7 В полу­

как в прямом напр!авлении, так и в обратном, обеспечиваются условия для быстрого роста тока через переход. Для получе­ ния узкой запрещенной зоны используют полупроводники, у которых примесные уровни размыты в зону, перекрываю­ щуюся с ближайшей разрешенной зоной: донорные уровни размываются в зону, перекрывающуюся с зоной проводимо­ сти, а акцепторные уровни — в зону, перекрывающуюся с ва­ лентной зоной. При этом запрещенная зона получается доста­

точно узкой.

Туннельный эффект определяет основные особенности вольт-амперной характеристики: большие обратные токи, ко­ торые превосходят прямые токи обычных диодов при тех же

60

«-области и p-область и инжекцией дырок из р-области в «-область).

Параметрами туннельного диода являются значение тока в максимуме (1тах) и в минимуме и соответствующие напряжения. Важной характеристикой является наклон па­ дающего участка вольт-амперной характеристики, который определяет величину отрицательного сопротивления. Поэтому и отношение токов Imaxllmin представляет собой один из важ­ нейших параметров туннельного диода. Обычно это отноше­ ние бывает в пределах 12-1-14 для германиевых диодов и до 40 для диодов из арсенида галия. Это соответствует отрица­ тельным сопротивлениям от единиц до сотен ом. Величина тока в максимуме может достигать единиц, ампер.

Обычно малошумящие диоды СВЧ изготовляются из герма­ ния и имеют коэффициент шума порядка 4—7 дБ. В импульс-, ном режиме применяют диоды из арсенида галия. Использу­ ются диоды в генераторах СВЧ диапазона до частот в сотни гигагерц, но при малых выходных мощностях (до сотен милли­ ватт в непрерывном режиме).

§ 5.2. Лавино-пролетный диод. В лавино-пролетных дио­ дах (ЛПД) для получения отрицательного сопротивления ис­ пользуются ударная ионизация в полупроводниковых струк­ турах и пролетные эффекты. Возникновение отрицательной проводимости в ЛПД можно пояснить следующим образом.

Как известно, когда заряженная частица движется в на­ правлении, в котором ее перемещает электрическое поле, то поле совершает работу и отдает энергию. Когда заряженная частица движется в направлении, противоположном тому, в каком стремится перемещать ее электрическое поле, про­ исходит обратное: частица отдает энергию электрическому полю. Основное явление, используемое в ЛПД, состоит в том, что создаются условия, когда постоянное поле перемещает носители зарядов в направлении, противоположном тому,

вкотором их перемещает переменное поле. Таким образом, энергия, отдаваемая постоянным полем, поглощается пере­ менным СВЧ полем. Поскольку переменное поле непрерывно меняет свой знак, очевидно, нужно перекрывать поток зарядов

втечение полупериода, когда СВЧ поле имеет то же направ­ ление, что и постоянное поле. Рабочим полупериодом будет тот, когда СВЧ поле имеет направление, противоположное

направлению постоянного поля.

Обычно к диоду прикладывается сильное обратное напря­ жение смещения (рис. 29,а), но не достигающее величины критического поля, при котором возникает лавинный пробой. При этих условиях тока нет (или очень малый), и картину рас-

61

а)

+/Етрем I

г)

62

пределения постоянного электрического поля можно пред­ ставить так, как это изображено на рис. 29, б.

Узкий участок с сильным электрическим полем соответст-, вует области р—«-перехода, а более протяженный участок с умеренно сильным электрическим полем соответствует про­ странству дрейфа в слое с собственной проводимостью.

Обмен энергией между постоянным и СВЧ полями осу­ ществляется следующим образом. Если кроме постоянного электрического поля к диоду будет приложено дополнитель­ ное переменное поле, то при совпадении по направлению по­ лей на р—«-переходе напряжение превысит критическое зна­ чение электрического поля, необходимое для лавинного умно­ жения зарядов. При этом носители зарядов, присутствующие в узкой лавинной области в небольшом количестве, начинают умножаться, и их число экспоненциально растет. По мере того как носители генерируются в этой узкой области (в области р—«-перехода), они непрерывно выносятся оттуда электри­ ческим полем. Когда проходит четверть периода, распределе­

сти возросла, и по мере ее роста все больше и больше носи­ телей поступает в область дрейфа. Видно также, что эти носи­ тели дрейфуют в течение нежелательного интервала периода и что относительно этих носителей совершает работу пере­ менное поле. В идеальном случае желательно, чтобы их не было в дрейфовой области. Обычно, хотя определенное число носителей зарядов, созданных в лавинной зоне, и увеличива­ ется экспоненциально со временем, их начальная концентра­ ция настолько мала, что в действительности присутствует лишь небольшое число носителей зарядов.

После дополнительной четверти периода картина распре­ деления поля показана на рис. 29, б. Все это время растет ток в лавинной области; образуется огромное скопление носи­ телей, готовых перемещаться через дрейфовую область. Это скопление есть окончательный результат экспоненциального роста, который внезапно ограничивается, когда электрическое поле в лавинной области становится ниже критического (переменное электрическое поле равно нулю). Распределение плотности носителей зарядов еще через четверть периода, ко­ гда переменное поле достигает своего максимального значе­ ния и направлено в противоположную сторону относительно постоянного электрического поля, показано на рис. 29,в. Это основной рабочий цикл. В это время скопление носителей зарядов, пересекающее дрейфовое пространство, отдает энер­ гию переменному полю.

63

Наконец, когда полностью завершен период, носители го­ товы покинуть дрейфовую область, прежде чем переменное поле станет очень сильным в невыгодном для работы устрой­ ства направлении (рис. 29,г).

Это обстоятельство не случайно, а является прямым ре­ зультатом требования, согласно которому дрейфовая область должна быть такой протяженности, чтобы время пролета но­ сителей зарядов через нее составляло полпериода частоты, на которой работает устройство. Таким образом, мы получаем суммарную отдачу энергии от постоянного поля переменному.

Рис. 30

Процесс передачи энергии переменному электрическому полю можно проиллюстрировать в терминах, принятых при описании электровакуумных приборов. Рассмотрим вольтамперную характеристику диода (рис. 30). Для нас представ­ ляет интерес обратная ветвь, соответствующая электриче­ скому пробою. При постоянном смещении U — Uap, несколько меньшем критического* при котором еще не наступает пробой (0,5ч-1,5 В обратного напряжения), добавление переменного потенциала приводит к появлению импульсного тока. Причем импульсы тока возникают в моменты действия ускоряющих для носителей зарядов полупериодов переменного потенциала. Однако синфазность импульсов тока с ускоряющими полупериодами переменного поля будет наблюдаться только на относительно низких частотах. С повышением частоты начи­

64

нает сказываться инерционность процессов как за счет вре­ мени образования свободных, носителей зарядов, так и за счет времени пролета носителей зарядов в р—«-переходе и дрейфовой области.

Как показано на пространственно-временной диаграмме рис. 31, «сгусток» (заштрихованная область, характеризую­ щая траекторию движения скопления носителей заря­ дов) проходит через диод в основном при тормозящих переменных полях и, следо­ вательно, усиливает это по­ ле. Если при этом потери будут сравнительно малы­ ми, то прибор может самовозбуждаться.

Из изложенного следу­ ет, что генерация возможна только на сверхвысоких ча­ стотах. Низкочастотная ге­ нерация не наблюдается ни при каких условиях, и от­ рицательные (падающие) участки на статической вольт-амперной характери­ стике отсутствуют.

ЛПД являются наиболее мощными полупроводнико­ выми приборами СВЧ диа­ пазона (в импульсном ре­ жиме можно получить сот­ ни ватт при КПД, равном нескольким процентам). Ос­ новным недостатком таких приборов является относи­

тельно высокий уровень шумов, который определяется ис­ пользованием режима лавинного пробоя.

§ 5.3. Диод Ганна. В рассмотренных выше полупроводни­ ковых прибора (туннельный и лавино-пролетный диоды), а также в большинстве других полупроводниковых приборов используются явления в р—«-переходах. Существенным не­ достатком приборов с р—«-переходом является сильная зави­ симость их параметров от качества изготовления и защиты р—«-перехода. Это приводит к сравнительно низкой воспро­ изводимости и стабильности во времени параметров таких

приборов. Следует подчеркнуть, что активной частью подоб­ ных приборов является очень узкая область р—«-перехода.

В диодах Ганна для усиления или генерации используется весь объем полупроводника, что упрощает проблему отвода тепла. В основе действия диодов Ганна лежит убывание объ­ емной проводимости полупроводника с ростом напряженно­ сти электрического поля, т. е. наличие на вольт-амперной ха­ рактеристике участка с отрицательным сопротивлением.

Если в некоторой области токов (или электрических по­ лей) на вольт-амперной характеристике (не обязательно ста­ тической) имеется участок с отрицательным дифференциаль­ ным сопротивлением, то состояние с равномерным распре­ делением тока (или поля) может оказаться неустойчивым. Если характеристика iV-образной формы, т. е. одному значе­ нию тока соответствует несколько значений напряжения, то возникает тенденция к образованию доменов, т. е. к расслое­ нию электрически однородного при малых полях образца на области с разным удельным сопротивлением и, следователь­ но, к образованию областей с существенно разной напряжен­ ностью электрического поля. Эти области — домены имеют конечные размеры, так как для поддержания сильного поля в домене требуется определенный объемный заряд. Если рас­ стояние меньше ширины домена, возможного при данной кон­ центрации носителей зарядов в полупроводнике, то домены не образуются, и поле в полупроводнике распределено равно­ мерно. Исходя из этих соображений, можно сформулировать условия, при которых возможно расслоение полупроводника.

Домены могут возникать и исчезать, перемещаться по полупроводнику или колебаться около некоторого положения равновесия в зависимости от ряда внешних и внутренних причин. Все это приводит к изменению сопротивления полу­ проводника между контактами и появлению электрических

колебаний.

Механизм возникновения отрицательного дифференциаль­ ного сопротивления в объеме полупроводника объясняется следующим образом.

У арсенида галия «-типа в зоне проводимости имеется два минимума (или долины), причем в верхнем минимуме под­ вижность электронов намного меньше, чем в нижнем. По этой причине при полевом разогреве электронного газа (уве­ личение энергии электронов) подвижность (а следовательно, и скорость) электронов начинает резко падать (рис. 32), как только'их энергия оказывается достаточной для перехода в верхний минимум. Это и приводит к появлению отрицатель­ ного дифференциального сопротивления. •

66

Частота генерации в диоде Ганна определяется временем прохождения домена от места .образования до соответствую­ щего контакта. Поскольку домены, как правило, образуются у «катода», это время равно времени прохождения домена

непосредственно не связан с временем прохождения домена

через весь образец.

Поскольку домен образуется не мгновенно, а за время по­ рядка 10_ш с, используя внешний резонатор, можно не допу­

ет уменьшаться и, наконец, падает ниже порогового значения, при котором возможно су­

ществование домена. Тогда домен начинает рассасываться, а сопротивление полупроводника уменьшается. В какой-то мо­ мент напряжение на нем снова становится выше критического, и опять начинается образование домена и т. д. При таком ре­

чески полностью определяется характеристиками внешнего резонатора и не зависит от характера движения домена и от размеров полупроводника.

Рассмотрим подробнее процесс формирования домена. Как уже говорилось выше, зависимость дрейфовой скорости элек­ тронов от напряженности поля имеет вид, показанный на рис. 32.

Такая зависимость определяется особенностями структуры зоны проводимости арсенида галия: в одних подзонах элект­ рон обладает большей подвижностью, в других — меньшей. При отсутствии внешних полей электроны находятся на дне зоны проводимости (т. е. в нижней подзоне с большой под­ вижностью) . Если приложено постоянное напряжение, то электроны приобретают дополнительную кинетическую энер­

гию и переходят в вышерасположенную подзону с малой под­ вижностью частиц. При большой напряженности поля боль­ шинство электронов окажется в верхней подзоне. Плотность тока пропорциональна скорости движения электронов, а на­

ленную на рис. 32, можно заменить аналогичной кривой / = = /({/) (см. рис. 35, а), т. е. вольт-амперной характеристикой.

Вид такой вольт-амперной характеристики похож на вид вольт-амперной характеристики туннельного диода. Падаю­ щий участок вольт-амперной характеристики свидетельствует о наличии отрицательного сопротивления. Однако такую вольт-амперную характеристику снять не удается, так как при наличии падающего участка на вольт-амперной характе­ ристике однородного полупроводника однородное распределе­ ние поля неустойчиво.

Предположим, что к образцу из арсенида галия прило­ жено поле, соответствующее максимуму кривой Е\ (рис. 32), и в какой-то области образца поле оказалось неоднородным. Такая неоднородность создается часто искусственно за счет изменения уровня легирования. На рис. 33 показано однород­ ное распределение электрического поля вдоль образца и перепад поля на расстоянии 40 мкм от «катода» (отрицатель­ ного по знаку приложенного потенциала омического контак­ та). Перепад поля (длиной около 1 мкм) называют иногда «зарубкой». В области «зарубки» ближе к «аноду» (положи­ тельно заряженному омическому контакту) поле больше по величине, чем для участков, расположенных ближе к «ка­ тоду». Средняя дрейфовая скорость электронов в области, расположенной ближе к «аноду», несколько упадет. К этим замедлившимся электронам начнут подходить электроны, находящиеся ближе к «катоду». Таким образом, образуются и начнут расти области отрицательного и положительного зарядов и одновременно будет расти и электрическое поле в области флюктуации аналогично тому, как растет пропор­ ционально увеличению плотности заряда на пластинах поле внутри плоского конденсатора. С ростом поля электроны в области флюктуации еще более замедляются, процесс обра­ зования слоев заряда усиливается и т. д. Динамика образо­ вания такого домена сильного поля была смоделирована на ЭВМ. Результаты расчетов для образца длиной 0,02 см при­ ведены на рис. 33, где показано, как напряженность поля изменяется в процессе формирования домена.

Если напряжение на образце поддерживается постоянным, то поле (а следовательно, и дрейфовая скорость электронов

68

вне домена) будет падать. Равновесие наступит тогда, когда скорость движения образовавшегося домена окажется равной дрейфовой скорости электронов вне его. Установившееся при этом распределение зарядов и электрического поля показано на рис. 34, где га — полная концентрация электронов; пх— концентрация легких электронов и « 2 — концентрация тяже­ лых электронов.

Расстояние, мкм

Рис. 33

69