книги из ГПНТБ / Федоров, Н. Д. Электронные и квантовые приборы СВЧ учебник

ющая изменение во времени напряженности электрического поля в слое умножения.

Рис. 9.7, а соответствует идеализированному случаю, когда про­ цесс лавинного умножения носителей происходит в очень узкой области и считается безынерционным, т. е. концентрация носите­ лей мгновенно следует за изменением СВЧ-поля. Так как зависи­ мость коэффициента умножения от напряженности поля очень силь­

нов.

Итак, электронный сгусток приходит к границе перехода в опре­

(г2 на рис. 9.7, а) в некоторый момент тормозящего полупериода. Через границу перехода периодически следуют сгустки (см. рис. 9.7, б), создавая ток і (f) несинусоидальной формы, после раз­ ложения, которого в ряд Фурье можно определить амплитуду первой гармоники тока іг (t). Первая гармоника тока оказывается сдвинутой по фазе относительно СВЧ-поля. Если угол пролета Ѳ< я, то преобладает эффект воздействия ускоряющего поля, сгусток от­ бирает энергию от СВЧ-поля, т. е. активное сопротивление ЛПД должно быть положительным. При Ѳ> л, преобладает эффект воздействия тормозящего поля, т. е. активное сопротивление ста­

происходит чередование знака сопротивления. Максимальное от­ рицательное сопротивление наступает вблизи Ѳ = Зя/2, так как в этом случае сгусток электронов движется в тормозящем поле наи­ большее время (полупериода).

147

В действительности процесс возникновения лавины в ЛПД инерционный, для развития лавины после наступления амплитуд­ ного значения поля требуется определенное время. Считается, что это время запаздывания на рабочих частотах приблизительно равно четверти периода (Ѳзап ж я/2). При Ѳзап = я/2 электроны лавины (см. рис. 9.7, б) сразу же попадают в тормозящее поле. Активное сопротивление ЛПД при малых углах пролета, в отличие от случая отсутствия инерционности процесса, отрицательное. Максимальное

поэтому считают, что ЛПД хорошо работают на частотах, определя­ емых временем пролета носителей (тпр = wlva):

пролетной. Отрицательное сопротивление ЛПД при данной длине пролетного пространства, если дополнительно учесть токи смещения в переходе, появляется только начиная с определенной частоты, называемой лавинной.

Максимальная выходная мощность ЛПД зависит от полупровод­ никового материала и нагрузки. Максимальное напряжение на дио­ де ограничено напряжением лавинного пробоя. Очевидно, что самое

Условие (9.7) определяет ограничения на выходную мощность ЛПД при высоких частотах: для заданного емкостного сопротивления Хс потребляемая мощность обратно пропорциональна квадрату

148

частоты.* На более низких частотах ограничение по мощности в не­ прерывном режиме работы связано с теплоотводом от области пере­

по теоретической оценке составляет около 30%. В действительности к. п. д. меньше из-за некоторых ограничений, связанных с влиянием поля объемного заряда, величины обратного тока, туннельного

{см. рис. 9.8, б). Плотность тока в цепи связана с изменением напря­ женности поля соотношением

Из этого уравнения можно найти момент времени, когда поле достигает критического значения при любом 2, и определить ско­

* В иностранной литературе такой режим называют TRAPATT (TRApped Plasma Avalanche Triggered Transit — захваченная плазма, пробег обла­ сти лавинного умножения).

149

рость, с которой фронт лавинной волны перемещается в переходе

ѵфр = dz/dt = j/eN.

Пусть N = ІО 15 см-3, / — ІО 4 А/'см, тогда Нфр = 6 • ІО 7 см/с, т. е. более чем в пять раз превышает скорость насыщения, с которой перемещаются носители. Это значит, что в результате ударной иони­ зации во всем переходе очень быстро образуется электронно-ды­ рочная плазма. Произойдет резкое уменьшение сопротивления пе­

ток. Следовательно, средняя мощность, потребляемая прибором, оказывается небольшой, а к. п. д. — высоким. Мощность и к. п. д.

суммой первой и второй гармоник (первая гармоника соответствует рабочей частоте). Очевидно, лавина возникает в момент наступления максимального значения суммы один раз за период первой гармо­ ники, в остальное время напряженность поля недостаточна для раз­ вития лавины. Поэтому возможен переход от пролетного режима работы ЛПД в режим с захваченной плазмой, если пролетная часто­ та совпадает с частотой второй гармоники. Предположим, что эле­ менты СВЧ-цепи ЛПД обеспечивают получение большого напряже­ ния на пролетной частоте (слабая нагрузка для второй гармоники) и напряжения на первой гармонике. В этом случае фронт лавинной волны возникнет в момент максимального суммарного напряжения,

150

которое следует с частотой первой гармоники: только каждый второй импульс тока пролетного режима ЛПД вызовет развитие лавины, приводящей к захвату плазмы. Таким образом, частота колебаний оказывается в два раза ниже, чем в пролетном режиме. Подбирая сдвиг фазы между напряжениями гармоник, можно по­ лучить оптимальный режим работы по мощности и к. п. д.

§ 9.3. Полупроводниковые приборы с объемной

неустойчивостью (приборы Ганна)

В приборах Ганна используется явление перехода носителей из

одной долины в другую при изменении напряженности электри­ ческого поля (см. § 9.1).

этому естественно предположить, что кривая на рис. 9.5 одновре­ менно изображает вольт-амперную характеристику всего образца. Однако это справедливо только в том случае, если на рис. 9.4 пере­ ход из нижней долины в верхнюю (снижение скорости электронов) происходит во всем объеме и напряженность поля Е одинакова во всех точках образца. Тогда статическая характеристика прибо­ ра, определенная по току во внешней цепи и напряжению на прибо­ ре, имела бы падающий участок с дифференциальным отрицательным сопротивлением. В действительности наблюдать в статическом ре­ жиме падающий участок не удается. Объясняют это тем, что наличие отрицательного сопротивления характерно лишь для некоторой области образца (область объемной неустойчивости), в результате чего и напряженность поля в этой области отличается от напряжен­ ности в остальной части образца.

Исследования показывают, что пороговое значение напряжен­ ности Епоѵ, при котором начинается понижение скорости электро­ нов, достигается не во всем объеме образца, а лишь в узкой области, где имеется неоднородность концентрации примеси.

Предположим, что на некотором небольшом участке б концент­ рация примеси несколько меньше, чем в остальной части образца. Увеличение электрического сопротивления участка приведет

кросту падения напряжения на единицу длины этого участка, т. е.

кповышению напряженности поля на этом участке (рис. 9.10, а). Пусть напряженность на участке б несколько выше, а вне его не­

сколько ниже, чем пороговая напряженность Епор. Тогда на участке б начнется переход электронов из нижней долины в верхнюю, т. е. дрейфовая скорость электронов уменьшится. Электроны начинают отставать от электронов, движущихся вне участка, так что в левой части участка (см. рис. 9.10, б) образуется избыток электронов (отрицательный заряд), а в правой — недостаток (положительный заряд). Образовавшийся двойной слой объемного заряда называется электрическим доменом. Так как домен образован движущи­

151

мися зарядами, то он перемещается вправо по образцу. При этом следует иметь в виду, что отмеченное первоначальное увеличение падения напряжения на участке б при постоянном внешнем напря­ жении U0 на образце должно сопровождаться уменьшением паде­ ния напряжения на остальной части образца и падением там напря­ женности поля (см. рис. 9.10, г). Это уменьшение Е снижает дрей­

электронов 0^ Таким образом, плотность тока в момент t' за­ вершения формирования до­

исчезать, а тою в цепи увеличиваться до максимального, соответ­ ствующего начальной скорости ѵ±. Но при этом снова начнется обра­ зование домена около неоднородности (участок б) и ток быстра упадет до /мин и т. д.

Таким образом, в образце движется только один домен, место возникновения которого определяется неоднородностью. Опыты по­ казывают, что если образец имеет высокую однородность, то домен возникает около катода. В этом случае время движения домена до анода Т = 1/ѵя зависит от длины образца I и скорости движения до­ мена Уд,которая определяется процессами в образце и не зависит от внешнего напряжения (влияет лишь на размеры домена). Время Т определяет периодичность прихода доменов к аноду, т. е. перио­ дичность импульсов тока во внешней цепи. Периодически следующие

152

устойчивости, возникающей не во всем объеме, а только на некотором участке, и перемещающейся по образцу. Поэтому на внешних за­ жимах образца не удается измерить в статическом режиме отрица­ тельное дифференциальное сопротивление. Эффект отрицательного сопротивления проявляется лишь в динамическом режиме образова­ ния и движения доменов.

О домене можно говорить только тогда, когда он успевает сфор­

вания порядка 50тр. Таким образом, пролетный режим существует

Режим с подавлением и задержкой доменов. В этих режимах используется колебательная система с высокой добротностью, так что амплитуда СВЧ-напряжения на приборе сравнима с постоян­ ным напряжением. Часть периода результирующее напряжение оказывается меньше порогового, поэтому домен разрушается, не до­ ходя до конца образца (подавление или гашение домена). Пониже­ ние напряжения ниже порогового одновременно затрудняет форми­ рование нового домена. Возможен режим, когда домен не пода­ вляется и проходит через весь образец, а появление нового домена задерживается на время, равное части периода, когда напряжение ниже пороговой величины (режим с задержкой доменов).

В обоих режимах врёмя формирования доменов должно быть меньше периода СВЧ-колебаний. Последнее эквивалентно условию n/f ^ 5 • ІО4 с/см3.

Очевидно, что период СВЧ-колебаний в режиме с подавлением доменов меньше времени пролета, а в режиме с задержкой доменов больше его.

Использование колебательной системы с высокой добротностью приводит к росту выходной мощности, к. п. д. и к повышению ста­ бильности частоты генерируемых колебаний. Теоретическое значе­ ние к. п. д. в режиме подавления доменов составляет 13%, а в режи­ ме с задержкой доменов 27%.

153

Режим ограничения накопления объемного заряда (ОНОЗ).

Предположим, что к прибору приложено постоянное напряжение, создающее напряженность Е0 больше порогового значения £ пор, и СВЧ-напряжение (рис. 9.12). Если частота напряжения в несколько раз больше пролетной, а амплитуда настолько велика, что на не­ большую часть каждого периода результирующая напряженность поля становится меньше порогового значения, то домен может не успеть полностью сформироваться. В этом случае произойдет ослабление объемного заряда домена. Через образец одновременно проходят несколько слабых доменов, поэтому поле в образце прак­

тически можно считать однородным,

Рассмотренный режим работы называется режимом ограничения накопления объемного заряда и наблюдается при выполнении усло­ вия 2 • ІО4 < n/f < 2 • ІО5 с/см3.

Длина образца в режиме ОНОЗ может в 75—100 раз превышать длину, рассчитанную по пролетной частоте. Длина образца ограни­ чена дополнительным условием; электрическое поле в образце должно оставаться однородным. Это условие практически выполня­ ется, если I < 7/4, где 7 —длина волны в СВЧ-цепи, куда включен образец, с учетом укорочения длины волны из-за присутствия полу­ проводникового материала с большой диэлектрической постоянной (у арсенида галлия е — 12,5). Увеличение размера образца повыша­ ет напряжение пробоя, следовательно, могут быть увеличены ам­ плитуда СВЧ-колебаний и мощность. В настоящее время наиболь­ шая для полупроводниковых СВЧ-приборов мощность получена в приборах Ганна, работающих в режиме ОНОЗ.

Основная трудность получения режима ОНОЗ состоит в том, чтобы не допустить полного формирования доменов. В сформиро­ ванном домене существует сильное электрическое поле. Если поле превысит величину, при которой наступает ударная ионизация, то при большой длине образца может произойти пробой. Положе­ ние облегчается при коротких образцах, используемых в приборах с высокой рабочей частотой. В этом случае образовавшийся домен не приводит к развитию пробоя и выходу прибора из строя.

154

Гибридные режимы. Между доменными режимами и режимом ОНОЗ могут существовать промежуточные (гибридные) режимы, в которых допускается накопление объемного заряда, но превыше­ ния поля над пороговым еще недостаточно для полного формирова­ ния домена. Эти режимы имеют важное практическое значение,

так как наблюдаются в более широкой области отношения концент­ рации к частоте и не так чувствительны к изменению нагрузки и параметров схемы по сравнению с режимом ОНОЗ.

Области различных режимов работы приборов Ганна показаны на рис. 9.13.

§9.4. Особенности устройства и параметры ЛПД

иприборов Ганна

Для изготовления ЛПД используют кремний, германий и арсе­

тор, перестраиваемый с помощью плунжера, а ЛПД помещен между

155

изменения частоты генерации также в широкой полосе частот. Пере­ стройку частоты производят механическим способом, изменяя пара­ метры резонатора. Удается получить непрерывную перестройку в диапазоне более октавы.

Применяют также электрические способы перестройки частоты: с помощью варакторного диода или изменением электрического ре­ жима работы. В последнем случае использована зависимость часто­ ты от тока через диод (электронное смещение частоты). Однако крутизна электронного смещения частоты для сантиметрового диа­ пазона мала — несколько десятых мегагерц на миллиампер, а диа­

няют метод ионного внедрения, который позволяет легко контроли­ ровать закон распределения примесей и их концентрацию и созда­ вать очень узкие переходы. Имеются сообщения о ЛПД, работающих в пролетном режиме в миллиметровом диапазоне, при этом исследо­ вали однопролетные и двухпролетные ЛПД. В непрерывном режиме

и10,3% соответственно. Наличие второго пролетного пространства увеличивает ширину перехода, т. е. уменьшает емкость. При одной

итой же емкости перехода двух- и однопролетного ЛПД мощность

первого должна быть в четыре раза больше, так как удваи­

вается ток и напряжение, но в реальных приборах этот выигрыш меньше.

На двухпролетных ЛПД на частоте 92 ГГц получена выход­ ная мощность 0,18 Вт и к. п. д. 7,4%.

ЛПД, работающие в пролетном режиме, используют и как уси­ лители, однако из-за большого коэффициента шума (20—40 дБ) они непригодны для входных устройств. Коэффициент усиления при

каскадном включении ЛПД достаточно велик (до 30 дБ и выше).

^Схема для получения режима работы ЛПД с захваченной плаз­ мой несколько сложнее, так как для запуска она должна работать

на кратных частотах. Этот режим работы также пригоден для уси­ ления СВЧ-колебаний.

Сведения о параметрах ЛПД, работающих в пролетном режиме и в режиме с захваченной плазмой, приведены в табл. 7.

156