Данилов В.С. Микроэлектроника СВЧ

5.4.1.Доменная неустойчивость тока

вдиодах Ганна

Обеспечить абсолютную однородность электрического поля по длине образца практически невозможно, так как из-за неизбежной неравномерности распределения легирующей примеси и дефектов кристаллической решетки удельное сопротивление материала неоднородно от сечения к сечению образца, что и приводит к соответствующим отклонениям электрического поля. Такие отклонения особенно заметны вблизи от контактов. Особое внимание на процессы в диодах Ганна оказывает слой в прикатодной области, напряженность поля в котором выше, чем в остальной части диода (рис. 5.13). Пусть в первоначальный момент времени t0 напряженность поля как в -слое E , так

и вне его Ет несколько больше пороговой напряженности Еп (рис. 5.13, а). В этом случае в любом сечении диода dVдр dE 0, чему

соответствует падающий участок характеристики, представленной на рис. 5.12. Так как E Eвн , на этом участке Vдр( ) Vдр(вн) , отсюда следует, что в -слое накапливается избыточный отрицательный заряд, поскольку электроны подходят к этому слою слева с большей скоростью, чем движутся в нем. С другой стороны -слоя появляется дефицит электронов, так как они, двигаясь вне его с большей скоростью, «убегают» от него. Появляется диполь, который называют

Достигая анода, домен рассасывается, и на короткое время восстанавливается исходное, почти равномерное, распределение поля (рис. 5.13, а), затем в δ-слое зарождается новый домен и процесс повторяется. Возникновение домена сопровождается падением дрейфовой скорости электронов как в домене, так и во внешней по отношению к нему области. Ток диода снижается, поскольку он прямо пропорционален дрейфовой скорости электронов как в домене, так и во внешней по отношению к нему области. Соответственно снижается и ток диода, по-

Рис. 5.14. Изменение тока диода во времени

В момент времени t0 домен отсутствует; при этом I = Imax. В интервале времени ф t1 t0 у катода формируется домен, ток спадает до

I = Imin и сохраняется таким в течение времени пролета домена до анода. При t = t2 домен достигает анода и рассасывается в интервале времени p t3 t2 ; при этом ток возрастает и процесс повторяется.

5.4.2. Время формирования домена

Для образования стабильного домена необходимо, чтобы время его формирования ф было меньше времени пролета электрона от ка-

тода к аноду T0 LVq , где L – длина активной части диода, а Vq –

5.4.3. Генераторы СВЧ на диодах Ганна

Простейшая схема генератора на диоде Ганна показана на рис. 5.15. Резонатор замещен эквивалентным контуром с сосредоточенными параметрами. Эквивалентная проводимость Gэ учитывает по-

составляющей U(t). Поскольку отрицательная проводимость диода Ганна порождается зависимостью дрейфовой скорости электронов от поля, его быстродействие зависит от среднего времени протекания двух физических процессов: междолинного перехода и разогрева (охлаждения) электронного газа, что необходимо для осуществления перехода. Междолинный переход характеризуется средним временем

мп 5 10 14 с, а изменение температуры электронного газа – време-

нем е 10 12 с. Отсюда максимальная рабочая частота оценивается по времени изменения температуры электронного газа

f0 max 1 2 e 160 ГГц.

Этому соответствует минимальная длина волны 0 min c f0 max1,9 мм . Таким образом, диоды Ганна работают не только в санти-

метровом диапазоне, но и в большей части миллиметрового. Режимы работы генераторов на диодах Ганна представлены ниже.

Рис. 5.16. Зависимость напряжения и тока от времени

Другими словами, междолинный переход носителей осуществляется во всем рабочем объеме прибора синхронно, и все элементы объема во время активной части периода одновременно проходят состояние с отрицательной дифференциальной проводимостью. Это означает, что частота генерации определяется только настройкой резонансной системы, не будучи связанной со временем пролета электронов, т.е. с длиной диода. Это позволяет в режиме ОНОЗ резко увеличить мощность колебания.

В доменных режимах генерация, обусловливающая колебательную мощность, создается только в области домена, остальная часть диода пассивна. В режиме ОНОЗ активен весь объем диода. Увеличение длины последнего позволяет повысить и отдаваемую мощность, поскольку при этом появляется возможность роста напряжения питания, т.е. подводимой к диоду мощности постоянного тока. Мощность генераторов на диоде Ганна в режиме ОНОЗ может превышать мощность в доменных режимах на четыре порядка. Это существенно больше мощности, достигаемой в генераторах на других полупроводниковых СВЧ-приборах.

Ограниченное накопление объемного заряда реализуется главным образом в импульсном режиме. Так, на частоте 1,0 ГГц получена импульсная мощность 6 кВт. В приборах непрерывного режима выигрыш

вершине импульса (см. рис. 5.16) и, самое главное, наличием «пьедестала» Imin, который в основном определяет постоянный уровень тока через диод I0. Поэтому весьма важно увеличить перепад Imax / Imin на вольт-амперной характеристике диода, пропорционального подвижности носителей , зависящей от качества материала и температуры, в

которой работает диод 1/Т; следовательно, чем чище материал и лучше теплоотвод, тем выше КПД.

5.5. ЛАВИННО-ПРОЛЕТНЫЕ СВЧ-ДИОДЫ

5.5.1. Взаимодействие носителей заряда с кристаллической решеткой в сильном электрическом поле

В слабом электрическом поле (Е < 103 В/см) энергия носителей заряда сравнительно мала и достаточна лишь для возбуждения акустических колебаний кристаллической решетки (акустических фононов). Поэтому потери энергии при столкновениях с решеткой невелики и дрейфовая скорость носителей заряда растет пропорционально напряженности электрического поля Vдр = Е, где – подвижность носите-

лей заряда – величина постоянная. В этом случае полупроводник ведет себя как линейный резистор, сопротивление которого не зависит от напряженности поля.

Всильном электрическом поле носители не успевают отдавать решетке всю энергию, приобретаемую от поля за время свободного пробега, в результате их средняя энергия увеличивается. Это обстоятельство позволяет говорить о разогреве носителей заряда и называть горячими те носители, энергия которых значительно превышает среднюю тепловую энергию носителей в состоянии равновесия.

Всильных полях появляется эффект, связанный с нарушением ли-

нейной связи между дрейфовой скоростью носителей заряда Vдр и напряженностью электрического поля Е. При Е > 103 В/см энергия носителей становится достаточной для возбуждения оптических колебаний решетки (оптических фононов). При этом потери энергии из-за столкновений с решеткой возрастают настолько, что увеличение дрейфовой скорости носителей с повышением напряженности поля сначала за-

медляется, а при Е > 10 В/см прекращается совсем. Последнее эквива-