книги из ГПНТБ / Балябин А.Н. Твердотельные приборы СВЧ учеб. пособие

ОП

n*\P\ L

пичная структура современного кремниевого ЛСД* На рис. 35,6 изображены распределение концентрации легирующих примесей J/V^—Ng\(i<) и профиль статического -электричес­ кого поля при приложении обратного напряжения смещения

F(X). Максимальное значение напряженности поля совпа­ дает с плоскостью р*-П -перехода. При увеличении поля,

помпроводимости. Изменение -концентрации атомов' примеси

A f e - A f c

ентрации пркмеге.; '-напряженности поля" .<Е' :

""&-'стру;кту ра типагрЧ-р-п-П ; б-етруктура

:,типа-'р +-~і— п +.

■^-ду обратно-Го-:к2 пряаенйя смещений ■максимальное 'значение нНапряженности'.электрическо го ■поля- -^^кж^ЫБнетсй в ^•пзюско'сти л X—О , в которой- ионы-, примеси изменяют/свой . Зчаваа. 'Hpif некоторой' величине --напряжения,приложенного

-- -к-'дшдуунаиряжеішоств- поля в максимуме может стать рйь^

н1ю®-*-і:(О) - Возникнет лавинный пробой-,сопровождаю-'

- 53 -

щийся быстрым умножением числа носителей заряда. Так каквероятность ударной ионизации является резко возрас ташей функцией напряженности электрического поля, то область.где происходит возникновение носителей заряда

ограничена сравнительно узким слоем /(слой умножения). Образовавшиеся в слое умножения электроны и ,цирки

дрейфуют под действием сильного электрического поля к

напряженность электрического-поля е пролетных простран­

ностью Стол структуры,изображенной схематически на рис. 55, б ('.является то. что . і - область .представляющая слой'полупроводника, с равными концентрациями свободных -электронов и дырок, заключена -между сильно легированны­

ми р* /г" —областями с- очень маяш удельным сопротивле­

■оставаясь не. тральной. Поэтому - электрическое соле между сильно легированными областями оказывается равномерным по всей , (-области, как показано на рисунке. Таким об­

пролетных участков.

Й8 приведенного краткого описания видно, что .для

всех структур ЛИД, кроме р * ~ і —пг структуры, общим

является наличие тонкого слоя умножения, где происхо­ дит генерирование носителей зарядов, и пролетного про­ странства, где носители заряда .совершает .движение с

3. ДЖШШЕСКЖ ре ш ы работы лпд

ч

Статическая зольтзмперная характеристика ЛПД не

имеет участков с отрицательным сопротивлением (рис.37;.

1

1

L

Необходимое .для генерирования колебаний Q54 отрицатель­ ное сопротивление может быть обеспечено только з резу­ льтате использования динамических свойств псостс-анстңеН' ного заряда подвижных носителей—дырок и електоонов.

Впервые з 1958 г. Рид теоретически исследовал ft*~p-l-^-структуру и показал,ачто в ней возможно воз­ буждение колебаний, так как она обладает отрицательным

динамическим сопротивлением,обусловленным сдвигом фаз

между напряжением и током б цепи диода, возникавшим в

процессах лавинного умножения носителей заряда и дви­ жения юс в пролетном пространстве. Предсказанный Ридом тип колебаний получил сокращенное название ZM PATT

(Impact Awland Transit Tt/rW) - колебаний, то есть лавинно­

пролетных колебаний. Зто же название присвоено и диодам

Позднее, в 1953 г.,А.С.Тагер открыл возможность

получения СВЧ-волебакий в диффузионных .диодах,имевших

р -П -структуру с плавным переходом. Теоретически

было показано, что такие структуры также обладает отри­

которые ЛПД могут генерировать с высокой эффективно - стыл. Для этого типа колебаний характерно наличие "бегущего слоя умножения" и "состояния захваченной плазмы". .Ценный тип колебаний получил название TRAPfiTT

■ ЩnappedPiestna A\a(antl Trahans)- колебаний.

Названным типам колебаний соответствуют совершен-.

но различные динамические Режимы работы; « А

- Лавинно-пролетный режим для TpjPfiTT -колео'аний; - .Лячинный режим с бегущим слоем умножения (лавш -

• ный режим с захватом носителей) для TRAPА Л -колебаний.

Лавинно-прилетный режим I HPATT .-колебания Возможность генерирования СВЧ-колэбаний диодами п лавин­

но-пролетном режиме базируется на двух особенностях, присущих движению носителей тока в полупроводнике при

сильных электрических полях.

1. В тонком слое лавинного умножения при наличии

переменного электрического поля', между полем и током ла­

вины существует сдвиг по фазе •• cP , примерно, равный ^ ,

причем ток отстает от напряжения-, как было показано на

носителей заряда в ЖІД однозначно определяется размером

высокими напряжениями смещения и получать от ЛПД в не­ прерывном режиме мощности, порядка нескольких ватт.

■- - 57, —

ным сопротивлением и способен генерировать колебания. Рассмотрим более по,пробно процесс генерирования колебаний в лавинно-пролетном режиме на примере диода

Рида, изображенного на рис.38 . Как видно из рисунка,': область лавинного разряда локализована в очень узком слое умножения'-.$■&L. К диоду приложено постоянное об­ ратное шйцэяжение смещения—^ ; его величина опреде­ ляет положение рабочей точки диода на вольтамперной / характеристике, которое должно быть таким,•как показа-

-5S -

Врезультате ионизации к концу полуперисда высокочас­

тотного напряжений ток лавины достигает максимума и от­ стает по фазе от напряжения на ^ ,как показано на рис.40 . В слое умножения накапливается пространсшвен-

Рис.40.■Изменения' напряжения и тока,соответствую­ щие установившемуся режиму пролетных коле­

баний.

ный заряд положительных носителей-дырок.Влияние заряда

■носителей на поле в диоде пока не будем учитывать.Ртот заряд инжектируется плотным сгустком в пролетное прост­ ранство, где движется с постоянной скоростью

- 59 -

моугольной, как видно из рис.40 . Максимальный ток про­ текает через пролетное пространство диода в те палупериоды, когда переменное электрическое поле оказывается тормозящим для носителей заряда. Б результате тормозе- ' ніш энергия носителей, полученная ими от источника по­ стоянного напряжения,преобразуется в энергию СВЧ-коле-

баний. ж ■ - Для устойчивой генерации отрицательная проводимость

диода должна уменьшаться при увеличении. ВЧ-напряжения. Необходимая обратная связь в ЛПД осуществляется через влияние пространственного заряда носителей на величину, напряженности электрического поля в слое умножения,ко­ торое до сих пор не учитывалось.При инжекции дырок из области лавины в пространство дрейфа напряженность по­ ля в слое умножения снижается. Появление объемного по­ ложительного заряда дырок в электростатическом поле диода приводит к тому, что напряженность поля справа от него увеличивается, а слева , в слое умнозения^умень-

шается. Уменьшенное пространственным зарядом поле может достигнуть значения £ < £ л ^ раныпе, чем переменное на­

пряжение станет равным нулю. Следовательно, величина фазового запаздывания тока в елое умножения уменьшается, что приводит к снижению отрицательной проводимости.

■Выходная модность и эффективность ЛПД

Врежнме лавинно-пролетных колебаний выходная мощ­ ность и эффективность даода в сильной степени зависят от величины угла пролета носителей, тока в пространстве

ки зрении получения максимальной ваходвоЗ мощности ж