196

12.Лавинно-пролетные диоды

12.1.Полупроводниковые аналоги вакуумных приборов СВЧ

Обсуждение главных принципов, лежащих в основе работы твердотельных СВЧ-приборов, начнем с рассмотрения различных типов электровакуумных приборов, используемых с той же целью. В триоде для управления током, протекающим между парой электродов, к которым приложено высокое напряжение, используется сетка. Таким образом, постоянный ток преобразуется в переменный. Одно из ограничений, накладываемых на высокочастотные характеристики приборов этого типа, связано с требованием, чтобы время пролета электронов от катода к аноду было мало по сравнению с периодом колебаний. Указанное ограничение с учетом типичных скоростей электронов ~ 107 м/с и расстояний в несколько миллиметров приводит к максимальным частотам в несколько гигагерц. Эти расчетные данные соответствуют лучшим экспериментальным результатам, полученным на современных триодах.

Для достижения более высоких частот приходится использовать приборы, основанные на других принципах. Плодотворной оказалась идея создания приборов, в основе которых лежит использование относительно больших времен пролета электронов. В клистронах используется модуляция электронов по скорости в некоторой точке электронного потока, которая приводит к модуляции их по плотности при дальнейшем движении. Образующиеся сгустки электронов взаимодействуют с высокочастотным напряжением в некоторой точке по ходу потока, где сдвиг фаз, связанный со временем пролета, между напряжением и током составляет ~ 180°. Таким образом, модуляция пучка электронов по плотности приводит к передаче энергии высокочастотному полю.

В лампах бегущей волны (ЛБВ) используется другой принцип, при котором область взаимодействия пучка электронов с полем не локализована, а распределена. В ЛБВ электронный пучок взаимодействует с медленной электромагнитной волной, которая распространяется со скоростью, равной скорости движения электронов. Когда в пучке происходит модуляция электронов по скорости, то быстрые электроны стремятся обогнать медленную электромагнитную волну и сообщают энергию волне, что приводит к эффекту усиления.

Полевой и биполярный транзисторы аналогичны вакуумному триоду. Один электрод управляет током, протекающим между двумя другими электродами, к которым приложено высокое напряжение. Соответственно, имеет место одни и те же частотные ограничения, хотя численные значения параметров различны. Скорости движения носителей тока в полупроводниках низкие, однако межэлектродные расстояния в твердотельных приборах могут быть весьма малыми, что позволяет создавать транзисторы с областью рабочих частот, перекрывающей значительную часть СВЧ-диапазона. Отдаваемая транзисторами мощность быстро падает с увеличением частоты, и в течение длительного времени представлялось, что необходимы твердотельные приборы, в основе работы которых лежат другие принципы.

197

Например, идея работы клистрона не может быть непосредственно реализована в полупроводниках. Основная причина этого – различие в характере движения носителей тока в вакууме и в полупроводниках. В вакууме носители заряда являются фактически свободными и при отсутствии внешних электрических полей движутся с постоянной скоростью. В полупроводниках электроны или дырки сильно взаимодействуют с атомами кристаллической решетки и средняя длина свободного пробега обычно существенно меньше 1 мкм. При приложении слабых электрических полей скорость электронов постоянна во времени и пропорциональна полю (тогда как в вакууме скорость электронов линейно растет со временем). В сильных электрических полях скорости электронов и дырок в полупроводниках испытывают насыщение и почти не зависят от величины напряженности электрического поля. Возможен и другой подход к описанию этих различий: пучок электронов в вакууме не теряет энергию, а в полупроводниках электроны постоянно отдают свою энергию решетке. Соответственно в твердых телах значительно труднее извлекать кинетическую энергию дрейфового движения электронов, чем в вакууме, так как этот процесс сопровождается процессом омических потерь энергии в решетке.

Как упоминалось выше, в клистронах используется модуляция электронов по скорости. В полупроводниках возможно осуществить модуляцию скорости электронов в слабых электрических полях, но эта модуляция везде будет синфазной с изменением электрического поля в месте расположения электронов и поэтому не может приводить к появлению отрицательного сопротивления.

Однако идея использования взаимодействия электронов с электромагнитной волной, лежащая в основе работы ЛБВ, может быть реализована в полупроводниковых приборах. Основной трудностью на этом пути является то, что достижимые скорости электронов в полупроводниках весьма низкие. Поэтому замедленная электромагнитная волна должна иметь весьма малую длину, что делает трудной задачу согласования прибора с внешней цепью.

На основе этих идей удается создать приборы лишь для длинноволновой части СВЧ-диапазона. Поэтому был разработан новый класс твердотельных приборов, основанных на идеях, отличных от обсужденных свыше.

12.2 Динамическая отрицательная проводимость

Лавинно-пролетный диод (ЛПД; англ. – avalanche diode) – прибор, прин-

цип действия которого основан на возникновении в диапазоне СВЧ отрицательного динамического сопротивления, вызванного процессами лавинного умножения носителей заряда и их пролетом через полупроводниковую структуру.

В настоящее время ЛПД является одним из самых мощных твердотельных источников СВЧ-излучения в диапазоне миллиметровых волн. К недостаткам ЛПД следует отнести высокий уровень собственных шумов, вызванных процессами лавинного умножения носителей заряда, и необходимость тща-

198

тельного расчета и настройки цепей с ЛПД для их стабильной работы. Отрицательное сопротивление в ЛПД в отличие от туннельных диодов появляется только на высоких частотах и не наблюдается на статической ВАХ, которая у ЛПД аналогична обычной ВАХ диода. Появление отрицательного сопротивления в ЛПД вызвано временным запаздыванием процессов лавинного умножения и пролета носителей заряда, приводящим к фазовому сдвигу между током и напряжением.

«Лавинное запаздывание» (англ. – avalanche delay) определяется конечными временами нарастания и прекращения лавинного процесса соответственно, а « пролетное запаздывание» – конечным временем прохождения области дрейфа.

Импульс тока лавинного умножения сдвигается относительно вызвавшего его импульса напряжения. Задержки начала и конца лавины связаны с тем, что носители заряда в поле приложенного импульса не сразу приобретают энергию, достаточную для ионизации, и не сразу теряют е е после снижения напряжения. На рис.12.1 проиллюстрированы общие принципы появления от-

рицательного дифференциального сопротивления (ОДС; англ. – negative differential resistance), полупериоды и четвертьпериоды с отрицательным сопротивлением заштрихованы.

На рис.12.1,а-б отрицательное дифференциальное сопротивление отсутствует. Полное отрицательное дифференциальное сопротивление, наблюдающееся на всем протяжении периода Т, появляется при времени запаздывания τз=Т/2 (рис.12.1,г). В этом случае возрастанию напряжения соответствует спад тока, а снижению напряжения – возрастание тока. Нетрудно видеть, что при ОДС движение носителей заряда происходит в тормозящем переменном электрическом поле. При τз= Т/4 и τз=3Т/4 ОДС наблюдается только на протяжении половины периода, чередуясь через каждые четверть периода с положительными сопротивлениями. В этих предельных случаях в среднем за период отрицательное сопротивление наблюдаться не будет. Таким образом, ОДС будет реализовываться при условии

Т/4 < τз < 3T/4,

что равносильно фазовому сдвигу φ между током и напряжением

π/2 < |φ| < 3π/2.

Элемент с ОДС или отрицательной проводимостью способен отдавать в электрическую цепь (в нагрузку) мощность по переменному току путем преобразования энергии источника питания.

Действительно, средняя мощность по переменному току определяется выражением

199

где u = Um sin(ωt + φ); i = Imsinωt. Отсюда видно, что при φ = 0 мощность Р > 0,

контура. Эти носители будут отдавать полю свою энергию, создавая усиление колебаний. Прибор с ОС может работать также в режиме автоколебаний.

12.3. Лавинное умножение носителей заряда

Лавинный пробой (англ. – avalanche breakdown) в твердом теле во многом схож с лавинным пробоем в газах. Наряду с электроном в процессе лавинного пробоя участвует дырка. Она, как и электрон, имеет импульс и энергию и подобно ему может ионизировать атом и образовать электронно-дырочную пару. В сильных электрических полях электроны и дырки, двигаясь в противоположных направлениях, порождают нарастающие во времени и пространстве элек- тронно-дырочные пары. Возникает так называемая ударная ионизация не только в р-n-переходах, но и в однородно легированном и собственном (i-типа) полупроводниках. Однако в этих случаях необходимо прикладывать большое электрическое поле, причем обычно происходит сильный нагрев, наблюдается большой ток в полупроводнике и его разрушение. В обратносмещенных диодах