Вопросы по ЛПД

Обязательные.

1. Структура и материал ЛПД, зачем нужен каждый слой.

Для изготовления лавинно-пролётных диодов используют кремний и арсенид галлия. Диод имеет четыре характерные области с разным уровнем легирования: p⁺, n, i и n⁺. [Область собственной проводимости (i -область)].

2. Поведение диода при подаче обратного смещения, эффект лавинного умножения.

П ри подаче запирающего напряжения U₀ такая структура обеспечивает локализацию сильного электрического поля в узкой области перехода p ⁺ -n и полное обеднение n -области (рис. 3.1, б). При увеличении обратного напряжения U₀ поле в этой области (l_a) может достичь порогового E_a (∼ 300 кВ/см), критического (пробивного) значения E_пр, достаточного для возникновения лавинного пробоя. При такой величине поля начинается процесс лавинного умножения количества носителей, что приводит к резкому увеличению силы тока во внешней цепи. Электроны, вышедшие из зоны лавинного умножения, дрейфуют под действием электрического поля в n - и i - областях, пока не достигнут анода. Длина этой области на (рис. 3.1, б) обозначена как l_d . Эта зона называется пространством дрейфа. Дырки движутся в обратном направлении, рекомбинируя на p⁺-контакте.

Рост тока в этом случае ограничивается сопротивлениями внешней цепи и диода, а также нелинейными процессами развития лавины, приводящими к перераспределению электрического поля по образцу.

Образующиеся дырки увлекаются внутренним электрическим полем перехода в p ⁺ -область, а электроны, попадая в i-слой, движутся к n ⁺ -области в постоянном электрическом поле. Если напряженность электрического поля в слаболегированной области велика и превышает несколько киловольт на сантиметр, то скорость электронов остается почти постоянной и равной скорости насыщения . Обедненную область, в которой происходит движение электронов с постоянной скоростью, называют областью дрейфа. При этом дифференциальная подвижность электронов близка к нулю, при движении электронов не происходит уменьшения объемной плотности заряда.

Важно отметить, что процесс лавинного умножения носит обратимый характер. При уменьшении напряжения U₀ ток снижается до некоторой первоначальной величины.

3 . Генератор на лпд, физическая реализация, откуда появляется переменное напряжение?

Пусть на диод подано постоянное напряжение U₀ несколько меньшее, чем напряжение пробоя U_0a. При наличии дополнительного переменного напряжения СВЧ U_∼ = U₁sin ωt суммарное напряжение U_Σ = U₀ + U_∼ может в некоторые промежутки времени превышать пороговое напряжение, т. е. U_Σ > U_0a (рис. 3.3). Возникающий при этом процесс лавинного умножения носителей приведет к росту концентрации свободных электронов и дырок в области полей, напряженность которых превосходит значение Ea . Ввиду инерционности процесса лавинообразования, максимальное количество носителей обоих знаков накапливается к концу положительной фазы переменного напряжения U∼ (рис. 3.3, а, б). Образовавшиеся носители дрейфуют под действием приложенного электрического поля: электроны к аноду, а дырки к катоду. Поскольку катод находится в непосредственной близости от зоны лавинного умножения, дрейф дырок практически не создает наведенного тока во внешней цепи. В то же время, образовавшийся сгусток электронов, двигаясь в i-области, создает наведенный ток Iн . Наведенный ток протекает во внешней цепи в отрицательный полупериод СВЧ-напряжения, что эквивалентно появлению отрицательной электронной проводимости в ЛПД. Значение отрицательной проводимости будет максимальным при угле пролета, приблизительно равном π. Слой лавинного умножения можно представить в виде параллельного контура с резонансной частотой, называемой лавинной. На частотах ниже лавинной активное сопротивление ЛПД положительно, а реактивное имеет индуктивный характер. На частотах выше лавинной активное сопротивление ЛПД отрицательно, а реактивное сопротивление диода носит емкостный характер. Область отрицательных сопротивлений соответствует широкому диапазону частот. Важно отметить, что движение сгустка происходит с передачей его кинетической энергии СВЧ-полю. Максимальная эффективность такой передачи наблюдается, когда время пролета сгустком расстояния от места образования до «анода» τ будет равно половине периода СВЧ-колебаний T

Из ВИКИПЕДИИ:

Принцип работы лавинно-пролётного диода рассмотрим на примере p⁺-n-n⁺ структуры. Центральная слаболегированная n-область называется базой.

При напряжении, близком к пробивному, обеднённый слой p⁺—n-перехода распространяется на всю базу. При этом напряжённость электрического поля растёт от n-n⁺-перехода к p⁺-n переходу, вблизи которого можно выделить тонкую область, в котором напряжённость превышает пробивное значение, и происходит лавинное размножение носителей. Образующиеся при этом дырки утягиваются полем в p⁺-область, а электроны дрейфуют к n⁺-области. Эта область называется слоем лавинного размножения. За его пределами дополнительных электронов не возникает. Таким образом, слой лавинного размножения является поставщиком электронов.

Возникновение отрицательного сопротивления в ЛПД связано с инерционностью развития лавины и конечным временем пролёта носителей заряда в области перехода, что приводит к появлению сдвига фаз между током и напряжением на выводах прибора.

ИНФА ОТ БОТА:

1. n-область: Сильно легированная область, которая обеспечивает инжекцию электронов.

2. i-слой: Широкая нелегированная область, которая создает зону обеднения.

3. p-область: Слабо легированная область, которая собирает генерируемые электроны.

Принцип работы:

Когда к диоду прикладывается обратное напряжение, в i-слое образуется широкая зона обеднения. Если обратное напряжение достаточно велико, электрическое поле в зоне обеднения становится достаточно сильным, чтобы вызвать ударную ионизацию. Это означает, что электроны, которые дрейфуют через зону обеднения, получают достаточно энергии, чтобы столкнуться с атомами решетки и высвободить дополнительные электроны.

Высвобожденные электроны, в свою очередь, ускоряются электрическим полем и также вызывают ударную ионизацию, создавая лавинообразный эффект. Этот процесс приводит к резкому увеличению количества носителей заряда в зоне обеднения, что приводит к снижению сопротивления диода.

Благодаря наличию i-слоя, время пролета электронов через зону обеднения может быть увеличено, что позволяет генерировать и усиливать сигналы с более высокой частотой.

Характеристики:

ЛПД с i-слоем обладают следующими характеристиками:

• Высокая скорость переключения

• Высокая выходная мощность

• Низкий уровень шума

• Широкая полоса пропускания

Применение:

ЛПД с i-слоем используются в различных приложениях, включая:

• Радиолокационные системы

• Системы связи

• Генераторы сигналов

• Усилители мощности

Откуда появляется переменное напряжение?

В рассматриваемом анализе предполагалось, что СВЧ-напряжение задано извне. В генераторах начальным толчком служит тепловой шум, в спектре которого имеется любая частотная составляющая.

Тепловой шум в ЛПД с i-слоем представляет собой случайные флуктуации тока, вызванные тепловым движением носителей заряда. Эти флуктуации могут создавать небольшие импульсы тока, которые инициируют лавинный пробой.

Дополнительные.