Лебедев А.И. Физика полупроводниковых приборов

О3

О)

OS

Расчетные зависимости величины действительной части Z как функции угла пролета для различных значений отношения

uJlj изменяется пропорционально удельной инжекционной проводимости <7, то для обеспечения возможности генерации на высоких частотах инжекционно-пролетные диоды должны работать на наиболее крутом участке вольт-амперной характеристики. Для получения высокого значения а в структурах металл- полупроводник-металл контакты необходимо изготавливать из материалов, характеризуемых невысокими значениями фвР, например PtSi (фвр « 0,2 эВ).

Как следует из малосигнального анализа, наряду с отрицательным дифференциальным сопротивлением импеданс ИПД характеризуется большой реактивной составляющей емкостного типа, которая при работе диода в качестве генератора колебаний должна быть скомпенсирована импедансом резонатора. Это усложняет согласование диода с резонатором и создает серьезные препятствия продвижению в область более высоких частот.

компонента. Волны объемного заряда, распространяющиеся в структуре, могут либо увеличивать, либо уменьшать мощность высокочастотных колебаний в зависимости от соотношения между фазой тока носителей и фазой локального переменного электрического поля. Оптимальным для возбуждения колебаний является фазовый сдвиг между током инжекции и напряженностью поля в 180°, который возникает в Л П Д при w > и г и обеспечивает этим диодам наибольшую эффективность преобразования.

и диодах Ганна. Минимальный коэффициент шума, достигнутый

Инжекционно-пролетные диоды находят применение в качестве гетеродинов СВЧ приемников, в доплеровских радарных системах, охранных системах и для организации локальной связи. Максимальный теоретический к.п.д. ИПД составляет 21%, когда носители инжектируются в момент максимального напряжения на диоде [244], однако реально достигнутые к.п.д. не превышают 5%, Выходная мощность ИПД примерно на два порядка ниже, чем для ЛПД. Для увеличения к.п.д. и выходной мощности диодов можно попытаться увеличить угол инжекционного запаздывания [14]. Максимальная рабочая частота инжекционнопролетных диодов составляет ~20 ГГц.

6.4. Другие способы генерации СВЧ колебаний

6.4.1. TRAPATT-режим. Режим генерации лавиннопролетных диодов, названный режимом с захватом объемного заряда лавины1), был экспериментально обнаружен Прагером и др, из фирмы RCA [251]. Этот режим был назван «аномальным», поскольку он характеризуется:

1) частотой колебаний, которая в 2 - 10 раз ниже частоты нормальных колебаний ЛПД (6.27), и

2) необычно высоким к.п.д., по крайней мере вдвое превышающим теоретический к.п.д. лавинно-пролетного диода. Суть этого режима работы проще всего понять на примере р - г - п - диода [52].

Пусть на р-г-п-диод подано постоянное обратное смещение, близкое к напряжению пробоя. Если теперь на диод извне подать дополнительный импульс напряжения, достаточный для возникновения пробоя, то в объеме диода начнет развиваться процесс ударной ионизации, диод быстро перейдет в проводящее состояние и напряжение на диоде (при ограниченном токе в цепи) сильно уменьшится, Особенностью проводящего состояния явля-

') В зарубежной литературе этот режим называют TRAPATT (trapped plasma avalanche triggered transit time),

возбужденная в процессе ударной ионизации, экранирует электрическое поле в объеме р-г-п-диода. Поэтому скорость дрейфа носителей в этой области невелика и они оказываются как бы «захваченными» в объеме структуры. Протекающий через диод ток вызывает экстракцию этих зарядов, которая продолжается до

с захваченной плазмой время восстановления может быть намного больше времени пролета.

Если такой p-i-n-диод подключить к короткозамкнутой длинной линии, то в схеме возникнут периодические колебания, поскольку отражающиеся в конце линии инвертированные импульсы напряжения через время задержки, определяемое длиной линии, будут возвращаться к диоду и вновь «запускать» его.

Аналогичный режим колебаний возникает и в ЛПД. Для возбуждения этого режима необходимо в момент «запуска» пропускать через диод большой ток с тем, чтобы фронт распространяющейся в образце волны ударной ионизации (пик напряженности электрического поля) не затухая проходил через область дрейфа и возбуждал во всем ее объеме высокую концентрацию электронов и дырок, необходимую для образования захваченной плазмы. Эти условия можно создать в специальном резонаторе, настроенном в резонанс на частоту, близкую к пролетной. Большая амплитуда колебаний на этой частоте обеспечивает быстрое нарастание напряжения и возможность получения большого тока в момент «запуска» при том, что основная мощность колебаний выделяется на одной из субгармоник пролетной частоты [252].

что позволяет ожидать от него очень высокого к.п.д. генерации. В этом режиме уже достигнут к.п.д. в 75% на частоте 600 МГц и 43% на частоте 8 ГГц [14]. При этом мощность колебаний, получаемая на одном диоде, достигает 400 Вт. Диоды, работающие в TRAPATT-режиме, используются для возбуждения фазированных антенных решеток. Этому режиму работы присущи два недостатка: очень высокий уровень шума, связанный с флуктуациями момента «запуска» диода, и то, что из-за высоких плотностей тока диод обычно работает только в импульсном режиме. Диапазон частот, перекрываемых диодами, работающи-

ми в TRAPATT-режиме, простирается от 600 МГц примерно до 10 ГГц.

При этом, поскольку туннелирование является очень быстрым процессом, разность фаз между током инжекции и напряжением на области пробоя (фазовый угол инжекции) становится близкой к нулю. Такие диоды принято называть туннельно-пролетными диодами. Первым изменение характеристик лавинно-пролетных диодов при учете туннелирования обсуждал Рид [230], а затем Аладинский [253] и Нишидзава [254],

Задача создания полупроводниковых СВЧ приборов с низким уровнем шума требует отказа от использования явления лавинного пробоя. Рассмотренные в п. 6.3 инжекционно-пролетные диоды не используют явление лавинного пробоя, однако их сравнительно невысокое быстродействие связано с тем, что в ИПД инжектированные носители часть своего пути в районе максимума потенциального барьера проходят с невысокой скоростью. В туннельно-пролетных диодах этого ограничения нет, поскольку протуннелировавшие носители сразу же попадают в область сильного электрического поля. Это позволяет создать низкошумящие генераторы СВЧ колебаний в миллиметровой и субмиллиметровой областях длин волн [254].

Как показали Нишидзава и Мотоя [255], все преимущества туннельно-пролетных диодов можно реализовать и в режиме, когда пробой р-n-перехода происходит с одновременным участием ударной ионизации и туннельного пробоя. Такие приборы уже имеют низкий уровень шума, а за счет еще достаточно большого фазового угла инжекции позволяют получать сравнительно высокую выходную мощность (30 мВт на частоте 150 ГГц в импульсном режиме).

Еще одной особенностью TUNNETT-диодов, обсуждаемой пока только теоретически (см., например, [256]), является возможность пролета протуннелировавших носителей в области дрейфа в баллистическом режиме, то есть со скоростями, примерно на порядок превышающими скорость насыщения. При сокращении толщины области дрейфа это позволяет ожидать существенного увеличения быстродействия туннельно-пролетных

диодов, которое, по оценкам, может достигать нескольких терагерц.

В качестве достижений в области создания TUNNETT-диодов укажем получение в диодах из GaAs в непрерывном режиме выходной мощности, равной 70 мВт (с к.п.д. около 5%) на частоте 105 ГГц [257], мощности 50 мкВт на частоте 322 ГГц [258] (на основной гармонике) и такой же мощности при выделении третьей гармоники на частоте 356 ГГц. В приборах из кремния еще в 1968 г. была получена генерация на частоте 256 ГГц с выходной мощностью 1 мВт в импульсном режиме [254].

6.4.3. QWITT-диоды. Исследования резонансно-туннель- ных диодов (РТД), принцип действия которых был рассмотрен нами в п. 1.6.2, показали, что наиболее высокие параметры этих диодов получаются при использовании широких спейсеров — областей, располагающихся с двух сторон двухбарьерной структуры. Это наводило на мысль, что эти слои играют важную роль в работе этих диодов, и поскольку слой со стороны анода обеднен носителями, то там могут проявляться пролетные эффекты. Последующие исследования показали, что именно так и происходит, и специально созданные структуры, состоящие из резонансно-туннельного диода и области дрейфа, получили на-

звание QWITT-диодов (QWITT = quantum well injection transittime).

Особенностью QWITT-диодов является возможность их работы как на нарастающем, так и на падающем участке вольтамперной характеристики резонансно-туннельного диода. Малосигнальный анализ, проведенный в работе [259], показал, что область дрейфа практически всегда оказывает определяющее влияние на величину отрицательного дифференциального сопротивления и максимальную частоту генерации этих диодов. Работа диода в случае, когда РТД работает на нарастающем участке вольт-амперной характеристики, по сути ничем не отличается от режима работы ИПД (см, п. 6.3).

Совершенно иная ситуация возникает, когда рабочая точка находится на падающем участке вольт-амперной характеристики резонансно-туннельного диода. В этом случае, хотя параметры QWITT-диода продолжают определяться областью дрейфа, оп-

в область более высоких частот препятствуют конечное удельное сопротивление контактов к структуре и конечная величина

и возможности баллистического переноса, по-видимому, позволит в дальнейшем расширить рабочий диапазон частот этих приборов. В связи с вышесказанным следует отметить, что по сути именно в QWITT-диодах была получена наиболее высокая частота генерации РТД — 712 ГГц (94).

Оптимизация размеров области дрейфа позволяет заметно увеличить отрицательное дифференциальное сопротивление резонансно-туннельного диода. Эксперименты показали, что при добавлении в структуру РТД области дрейфа толщиной 10002000 А выходная мощность и к.п.д. действительно заметно увеличиваются. В практически реализованных приборах на основе

гетероструктуры InGaAs/AlAs при работе в резонаторе, частота которого изменялась в пределах 1 - 1 0 ГГц, к.п.д. генератора на частоте 2,4 ГГц достигал 50% [260]. Выходная мощность при этом составляла 20 мВт.

Г л а в а 7

ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ П Р И Б О Р Ы

Оптоэлектронные приборы — это приборы, работа которых

основана на взаимодействии электромагнитного излучения с полупроводником. В этой главе мы рассмотрим два наиболее важ-

ных класса этих приборов — приемники и источники излучения.

7.1.Приемники излучения

7.1Л. Механизмы поглощения излучения в полупровод-

нике. Регистрация электромагнитного излучения в диапазоне

от миллиметровых волн до жесткого рентгеновского излучения основана на поглощении этого излучения полупроводником, в результате которого в последнем происходит изменение концентрации или подвижности свободных носителей. Чтобы понять, к каким конкретным изменениям может приводить поглощение квантов той или иной энергии, рассмотрим основные механизмы поглощения электромагнитного излучения в полупроводнике.

На рис. 7.1 показаны спектры поглощения полупроводника в различных диапазонах энергий кванта как выше, так и ниже края собственного поглощения, который находится при энергии кванта hw » Е д . Основным параметром, характеризующим поглощение электромагнитной волны с частотой ш в полупроводнике, является коэффициент поглощения а(ш), который описы-