Лебедев А.И. Физика полупроводниковых приборов

когда напряжение на образце уменьшается до значения VB (см. рис. 6.13) и, таким образом, ток инжектируемых в область дрейфа электронов запаздывает по отношению к переменному напряжению приблизительно на 90°. Это — так называемое лавинное

запаздывание.

переменное напряжение на диоде отрицательно, то есть знак дифференциального сопротивления прибора на этой частоте действительно отрицателен. Таким образом, оптимальные условия для возбуждения колебаний отвечают частоте

где W — толщина области дрейфа; при W — 5 мкм для кремния / га 10 ГГц.

Кривые, представленные на рис. 6.13, позволяют оценить максимальный к.п.д, генератора на ЛПД, который определяется как отношение мощности высокочастотных колебаний к потребляемой мощности, Считая форму тока во внешней цепи прямоугольной, а форму переменного напряжения синусоидальной, несложное интегрирование дает г) — 2Уа/{ттУв), что при Va = VQ составляет около 64%. Эта оценка однако оказывается завышенной из-за ряда неучтенных эффектов. Главным из них является то, что сама инжекция зарядового пакета искажает распределение электрического поля в области дрейфа, увеличивая поле в области перед движущимся пакетом и уменьшая его в области

Одним из способов дальнейшего повышения к.п.д. лавиннопролетных диодов является создание приборов не с одной областью дрейфа (как это было в конструкции, предложенной Ридом), а так называемых двухпролетных ЛПД, в которых формируются две области дрейфа, расположенные по разным сторонам области лавинного умножения: одна для электронов, другая для дырок. Выходная мощность Л П Д с такой структурой почти вдвое больше, а к.п.д. на ~ 4 0 % выше, чем в приборах с одной областью дрейфа [14].

Другим способом повышения к.п.д. является создание

падает на области лавинного умножения [14]. Поэтому если

вузкозонном полупроводнике можно существенно снизить

Максимальная мощность, которую можно получить от лавинно-пролетного диода, определяется, кроме к.п.д. прибора, еще двумя факторами: эффективностью отвода тепла от прибора

полупроводника. Для ЛПД, работающих на частотах до 30 ГГц в непрерывном режиме, первый фактор является основным. Лавинно-пролетный диод представляет собой меза-структуру,

При работе лавинно-пролетных диодов в импульсном режиме, а также для диодов, работающих в непрерывном режиме на частотах выше 30 ГГц, эффекты нагрева отходят на второй план, и основные ограничения выходной мощности связаны с электрон-

ными характеристиками полупроводника: напряженностью поля лавинного пробоя £п р о б и скоростью насыщения vs. Для оценки пригодности того или другого полупроводника для изготовления Л П Д часто используют величину f% p o 6 v b которая входит в формулу для оценки максимальной мощности генерации:

где Хс га 2W/(efS) - импеданс диода [14]. В кремнии величина v s примерно втрое больше, чем в GaAs.

При выборе материала для изготовления Л П Д следует иметь в виду следующее. На частотах / < 10 ГГц диоды из GaAs имеют более высокий к.п.д.1 ), однако из-за втрое более низкой теплопроводности арсенида галлия по сравнению с кремнием, отвод большого количества тепла от Л П Д , изготовленных из GaAs, затруднен. С другой стороны, благодаря более высокой теплопроводности Si, к кремниевым Л П Д можно подводить большую электрическую мощность, и, несмотря на меньший к.п.д., получать от них сравнимую выходную мощность. Из-за более низкого быстродействия GaAs по сравнению с Si (см. ниже) к.п.д. этих диодов быстро уменьшается с ростом частоты, и в области вы-

пределу, и возникла необходимость в поиске новых полупроводников для создания более мощных Л П Д . По величине наиболее перспективным материалом для лавинно-пролетных диодов считается карбид кремния, в котором эта величина примерно в 100 раз выше, чем для Si и GaAs. В лабораторных образцах Л П Д из SiC уже получена генерация на частотах 10 и 35 ГГц [240, 241]. По теоретическим оценкам, работа лавиннопролетных диодов из карбида кремния возможна до частот 450 - 500 ГГц.

1) Одной из причин более высокого к.п.д. диодов из GaAs является формирование более четких границ зарядовых пакетов. Благодаря уменьшению скорости дрейфа с ростом напряженности электрического поля в области

отрицательного дифференциального сопротивления, электроны в задней части пакета (той, где напряженность поля ниже, см. рис. 6.14), движутся быстрее

и догоняют пакет.

366 ГА, 6. Полупроводниковые СВЧ приборы

Быстродействие лавинно-пролетных диодов. Генераторы

на лавинно-пролетных диодах работают на частотах до ~ 3 9 0 ГГц и перекрывают весь диапазон сантиметровых и миллиметровых длин волн. Верхняя граница частоты генерации Л П Д определяется несколькими эффектами. Во-первых, это — конечное «время лавинного отклика», которое равно времени релаксации энергии в сильном электрическом поле. В Si, GaAs и InP значения этого времени примерно равны и составляют ^ 0 , 6 пс [239].

Другое ограничение связано с диффузионным расплыванием зарядового пакета при его движении в области дрейфа. Максимальную частоту, связанную с этим эффектом, можно оценить по

велики, Оценки показывают, что максимальная частота Л П Д из

Si, в котором использовался дрейф дырок. Наконец, существует ограничение, связанное с «насыщением» коэффициента ударной ионизации в сильных электрических полях и увеличением роли туннельного пробоя. Обсудим последнее ограничение более подробно.

Очевидно, что с ростом частоты генерации оптимальная толщина области лавинного умножения должна уменьшаться. Уменьшение размеров этой области влечет за собой резкое возрастание напряженности электрического поля, необходимого для возникновения пробоя. Однако, как мы знаем из материала п. 1.3, при этом заметно возрастает вероятность туннелирования электрона сквозь потенциальный барьер. Поэтому в наиболее

которой такого запаздывания нет. Уменьшение фазового угла инжекционного запаздывания приводит к ухудшению условий возбуждения колебаний, а при попытке дальнейшего увеличения частоты лавинно-пролетный диод переходит в режим чисто туннельной инжекции. Особенности работы диодов в этом режиме будут рассмотрены нами в п. 6.4.2.

Конструкция лавинно-пролетного диода похожа на конструкцию диода Ганна (см. рис. 6.86). В наиболее простом варианте (структура р + - п - г а + ) необходимый профиль легирования создается путем диффузии акцепторной примеси в тонкий эпитаксиальный слой n-типа, выращенный на сильно легированной подложке [239]. Более сложные структуры (например, двухпролетные Л П Д ) создают методом многослойного эпитаксиального наращивания. В высокочастотных приборах толщина области дрейфа настолько мала (менее I мкм), что для создания необходимого профиля легирования часто используется ионная имплантация. После создания структуры из пластины с помощью травления выделяются меза-диоды, которые монтируются на теплоотвод, причем для улучшения условий отвода тепла их часто монтируют в «перевернутом состоянии», чтобы укоротить путь от активной области к теплоотводу. Для улучшения отвода тепла в мощных Л П Д вместо теплоотвода из меди часто используется алмазный

режиме можно получить ~ 1 Вт на 100 ГГц и 200 мкВт на частоте 361 ГГц [14, 52]. Следует заметить, что в связи с быстрым развитием полевых транзисторов (см. гл. 4) многие характеристики ЛПД, работающих в области частот до ~ 1 0 0 ГГц, уже превзойдены этими транзисторами. Однако в коротковолновой части диапазона миллиметровых волн и в субмиллиметровом диапазоне Л П Д продолжают оставаться самыми мощными полупроводниковыми источниками СВЧ излучения.

Лавинно-пролетные диоды находят применение в системах

столкновений (автотранспорт, авиация, судоходство); системах контроля скоростного режима на автострадах [239]. Отечественной промышленностью выпускается целый ряд Л П Д , например, кремниевые диоды 2А706 (диапазон 8,5-11,5 ГГц), 2А717 (31 -

') Диапазон частот 3,4-44 ГГц выделен под каналы передачи Земля-космос и космос-Земля, а область частот около 60 ГГц, и которой радиоволны сильно

поглощаются молекулярным кислородом в атмосфере, используют для создания защищенных от перехвата систем межспутниковой связи.

368 Гл. 6. Полупроводниковые СВЧ приборы

62 ГГц), 2А756 (85-100 ГГц) и арсенид-галлиевые диоды ЗА707 (8,3-16,7 ГГц), ЗА759 (35 - 37 ГГц).

6 . 3 . И н ж е к ц и о н н о - п р о л е т н ы е д и о д ы .

Основным недостатком лавинно-пролетных диодов является высокий уровень шума, связанный со статистическими флуктуациями числа электронно-дырочных пар, рождаемых носителями при ударной ионизации. В 1968 г. Рюэгг [244] и Райт [245] независимо предложили новый тип прибора с динамическим отрицательным дифференциальным сопротивлением, в котором для инжекции зарядовых пакетов используется потенциальный барьер (р-п-переход или барьер Шоттки) 0 Генерация СВЧ колебаний в диодах этого типа, названных инжекционно-пролетными диодами (ИПД) 2 ), впервые осуществлена в 1971 г. Колманом и Зи в Bell Laboratories [246].

Конструкция и принцип действия. Одна из возможных

конструкций инжекционно-пролетного диода и ее энерге-

навстречу друг другу выпрямляющими контактами: двумя барьерами Шоттки (структура металл-полупроводник п-типа- металл), двумя р-п-переходами (структура р+-п-р+) или барьером Шоттки и р-п-переходом. При подаче напряжения на такую структуру один из переходов оказывается смещенным в прямом направлении, а другой — в обратном. С ростом напряжения область пространственного заряда обратно смещенного перехода быстро расширяется, пока не произойдет смыкание областей пространственного заряда (так называемый прокол), после чего ток через структуру начинает очень быстро возрастать с увеличением напряжения^). Уровень легирования и толщина слоя полупроводника подбираются так, чтобы прокол

') Впервые возможность получения отрицательного дифференциального

в электронных схемах в качестве быстродействующих ограничителей напряжения, а также стабилитронов. Интересно, что созданные таким образом низковольтные стабилитроны (на напряжение, скажем, 1,5 В) по коэффициенту качества превосходят зенеровские диоды, которые мы рассматривали в п. 1.3.4.

W х

а

Рис. 6.16. Распределение электрического поля и энергетическая диаграмма структуры металл-полу проводник-металл при V = V„poK (а) и при V = Vn* (б)

с напряжением значительно слабее, так как ток дырок теперь опреде-

ляется только высотой барьера Шоттки к полупроводнику р-типа фвр> которая уменьшается с ростом напряжения из-за проявления эффекта Шоттки (см. с. 93).

10

Рассчитаем теперь вклад дырок в вольт-амперную характеристику структуры металл-полупроводник-металл в практически важной области напряжений V^pox < V < Vm (ниже мы покажем, что для получения

водника полностью обеднен электронами и плотность объемного заряда

qbV = q{Vm-V)2/4Vm.

Таким образом, в интересующей нас области напряжений высота потенциального барьера, который должны преодолевать дырки, равна сумме qAV и высоты барьера Шоттки к полупроводнику р-типа ФвР (см. рис. 6.16 а). Поэтому в рассматриваемой области напряжений ток в структуре равен [247]

лом показывает, что специфическая зависимость тока от напряжения, подобная (6.31), появляется и там, однако такая зависимость наблюдается, пока концентрация инжектированных дырок мала по сравнению с концентрацией доноров в полупроводнике. При высокой плотности тока объемный заряд инжектируемых дырок начинает заметно влиять на распределение электрического поля в структуре, возникают эффекты ограничения объемным зарядом и вольт-амперная характеристика существенно меняется [248]. В структурах металл-полупроводник- металл из-за того, что ток дырок ограничен высотой барьера фдр, этого не происходит.

Чтобы понять принцип действия инжекционно-пролетного диода, рассмотрим его работу в режиме большого сигнала. Изменение переменного напряжения и тока в диоде показано на рис. 6.18. Инжекция носителей происходит в моменты времени, когда переменное напряжение на структуре близко к максимальному, после чего носители движутся в области дрейфа. Как следует из рисунка, ток во внешней цепи течет не только когда переменное напряжение на диоде отрицательно, но и часть

1) Строго говоря, использование авторами работы [247] формул термоэлектронной эмиссии для описания инжекции дырок в полупроводник не обосновано, так как условие Бете при этом не выполняется. Тем не менее, как показали авторы, в эксперименте наблюдается зависимость, близкая к предсказываемой формулой (6.31).