1.5 Описание схемотехнических моделей варакторного и pin диода

По вышеописанному принципу работы pin диода можно понять, что в закрытом состоянии диод эквивалентен конденсатору с диэлектриком в виде i-области, а в открытом – короткое замыкание, однако необходимо также учесть активное сопротивление структуры в прямом r_пр и обратном r_обр смещении, паразитную индуктивность выводов L_в и емкость корпуса С_к. Модель pin диода для закрытого (а) и открытого (б) состояния представлена на рисунке 4. Полная модель диода с учетом обоих состояний представлена на рисунке 5.

Рисунок 4 – Модель диода в открытом (а) и закрытом (б) состоянии [4]

Рисунок 5 – Полная модель pin диода [4]

Так как работа варактора лежит в области обратного смещения, можно учесть схему только для этого режима, емкость обозначается как переменная, при этом модели pin диода и варактора для данного режима похожи, рисунок 6.

Рисунок 6 – Модель варакторного диода

3.5 балл

Задача №2.

Диоды с отрицательным динамическим сопротивлением.

1. Нарисовать типовое распределение по координате легирующей примеси, концентрации подвижных носителей заряда, статического поля и скорости дрейфа для двух структур из списка диодов с отрицательным динамическим сопротивлением (выбор произвольный 6, 7, 8 из вышеприведенного списка, но один прибор должен быть с использованием арсенида галлия, а второй – кремневый).

2. Используя зависимость напряженности статического электрического поля представьте прибор как слоистую структуру с разной дифференциальной подвижностью.

3. Определите частоту генерации ЛПД и ДГ с бегущим доменом при одинаковой длине активной области приборов .

Примечание: весовой коэффициент задачи 2балла

2.1 Распределение примесей, концентрации подвижных носителей, статического поля и скорости дрейфа для ЛПД на основе кремния, и диода Ганна на основе арсенида галлия.

• Лавинно-пролетный диод на основе кремния

Необходимые графики для анализа лавинно-пролетного диода представлены на рисунке 7.

A

d)

c)

a)

b)

Рисунок 7 – Графики зависимостей характеристик ЛПД от координаты

1. По распределению концентрации подвижных носителей можно заметить, что в области собственного полупроводника (i-слой) концентрации электронов и дырок равны между собой, то есть в данной области поддерживается собственная концентрация носителей. При достижении лавинного пробоя в p⁺-n области концентрация носителей в i-слое увеличивается на величину поступающих в эту область электронов Δn.

Так же следует отметить, что из-за сильной несимметрии перехода (p слой легирован сильнее чем n слой) вблизи металлургического контакта в области p⁺-n концентрация существенно отличается от собственной, тем самым граница смены типа носителей заряда (точка А) оказывается в менее легированной области n [5, стр. 57].

2. На данном графике показано распределение поля в структуре по абсолютной величине в статическом режиме, как видно напряженность в p⁺-n переходе превышает пороговую для лавинного пробоя. В i-слое напряженность превышает напряженность насыщения дрейфовой скорости E_S для кремния, но не должна превышать напряжение лавинного пробоя, соответствующее i-слою.

3. Как видно по распределению дрейфовой скорости, напряженность поля для области дрейфа выбирается большей, чем напряженность насыщения дрейфовой скорости E_S для того, чтобы скорость электронов не зависела от поля и поддерживалась постоянной – это необходимо для предотвращения размытия сгустков из-за различия в скоростях.

4. На графике распределения примесей по слоям концентрация примесей в i-области принята равной 0 для простоты, на деле же используют полупроводники с предельно низкой концентрацией примеси, но не абсолютно чистые.

• Диод Ганна на арсениде галлия

Необходимые графики для анализа диода Ганна представлены на рисунке 8.

Данный диод может работать в нескольких режима на рисунке показаны характеристики для режима бегущего домена, который почти дошел до анода.

d)

c)

b)

a)

Рисунок 8 – Графики зависимостей характеристик диода Ганна от координаты

1. Сформировавшийся домен движется в сторону анода, при этом его поле растет по мере движения и достигает максимума в близи анода, затем домен уходит в анод. Процесс повторяется, тем самым в п/п структуре возникают импульсы тока.

2. Поле домена выше критической величины E_th вызывает падение скорости до υ_п , а скорость справа и слева от домена не изменится и будет выше чем υ_п достигая максимального значения υ_m , что я вляется особенностью для структур типа GaAs.

3. Различие в скоростях при движении домена приводит к тому, что концентрация носителей слева от домена будет расти, а справа уменьшаться, тем самым электроны перестают экранировать поле положительно заряженной примеси, что и является причиной возникновения домена у катода. По мере движения разница в концентрациях увеличивается соответственно поле домена растет.

4. Зависимость распределения легирующей примеси, важным является то, что уровень примеси в активной части диода (n – области) должен превышать некоторое критическое значение, при которой появляются пульсации тока в структуре.

2.2 Слоистые структуры диода Ганна и ЛПД

Слоистая структура ЛПД представлена на рисунке 9.

Рисунок 9 – Слоистая структура ЛПД

В ЛПД используется кремний, который не обладает отрицательной дифференциальной подвижностью, тем самым в слоистой структуре ЛПД диф. подвижность либо больше 0, либо равна 0 на участке 2. Отрицательное динамическое сопротивление достигается по другому принципу.

В области дрейфа сгустки сгенерированных лавинным пробоем электронов движутся, создавая наведенный ток, это ток протекает в отрицательный полупериод СВЧ, что эквивалентно отрицательной электронной проводимости.

Слоистая структура диода Ганна представлена на рисунке 10.

Рисунок 10 – Слоистая структура диода Ганна

За счет использования материала арсенида галлия, у которого поле-скоростная характеристика имеет участок, на котором с возрастанием поля дрейфовая скорость носителей падает могут наблюдаться осцилляции тока в структуре. Этот участок называется участком отрицательной дифференциальной подвижности, который в арсениде галлия присутствует из-за явления междолинного переноса зарядов, при котором растет их эффективная масса, следовательно уменьшается их подвижность. Отрицательная дифференциальная подвижность позволяет получить отрицательное динамическое сопротивление прибора.

4. Определение частоты генерации диода Ганна и ЛПД

Дано:

Решение:

ЛПД [2]:

Диод Ганна [1]:

Ответ: Диод Ганна:

ЛПД:

2 балл