gurtov

Глава 8. Лавинно-пролетные диоды

аEСВЧ

бn

0,5Т t

Рис. 8.3. а) Зависимость от времени t напряженности СВЧ-поля ЕСВЧ в слое умножения;

б) зависимость от времени t плотности носителей заряда n, инжектированных из слоя умножения в пролетную область: T — период колебаний СВЧ-поля; в) схема лавинно-пролетного диода с мезаструктурой, смонти-

рованной на теплоотводе:

1 — омический контакт;

2 — сильнолегированный слой с электронной проводимостью (n+-слой);

3 — слаболегированный слой с электронной проводимостью (n-слой);

4 — сильнолегированный слой с дырочной проводимостью (р+-слой); 5 — теплоотводящая металлизированная пластина

На рис. 8.3в показана типичная схема ЛПД со структурой p+-n-n+, смонтированной на теплоотводящей пластине [84].

8.4. Использование ЛПД для генерации СВЧ-колебаний

Полупроводниковая ЛПД-структура обычно монтируется в типовой СВЧ-корпус. Как правило, диод крепится диффузионной областью или металлическим электродом на медный или алмазный теплоотвод для обеспечения эффективного охлаждения p-n-перехода во время работы. Для работы на частотах, соответствующих резонансной частоте собственного контура диода, достаточно поместить диод в разрез коаксиального контура. При работе на частотах, отличных от частоты собственного

SD — одна область дрейфа; DD — две области дрейфа

8.5. Коммутационные pin-диоды

Полупроводниковый диод предназначеный для управления уровнем или фазой СВЧ-сигнала, называется переключательным СВЧ-диодом. Наряду с термином «переключательный» в отечественной литературе применяют также термины «ограничительные» или «коммутационные» диоды, а в зарубежной литературе обычно используется термин «pin-diodes» [30].

Наибольшее распростронение получили переключательные диоды с p-i-n-струк- турой, хотя имеются варианты на основе p-n-перехода и барьера Шоттки. На рис. 8.7а приведена топологическая схема типового pin-диода. Обычно p- и n-области диода легированы до вырождения (n+, p+), активная i-область имеет удельное сопротивление

8.5. Коммутационные pin-диоды

ρi от 100 до 1000 Ом·см с достаточно большим временем жизни неравновесных носителей τэф до 1,0 мкс. Толщина i-слоя базы диода составляет Wi = 3÷30 мкм.

Принцип действия коммутационного pin-диода основан на резком изменении его полного электрического сопротивления при изменении полярности управляющего напряжения или тока. При подаче прямого напряжения pin-диод для СВЧ-сигнала эквивалентен активному сопротивлению по величине, равной доли ома. При подаче обратного напряжения (а также при нулевом напряжении) сопротивление такого диода на СВЧ резко возрастает и составляет величину, равную нескольким килоомам. При обратном смещении коммутационный pin-диод эквивалентен емкости (величина 0,1—1,0 пФ), соединенной последовательно с активным сопротивлением порядка 1 Ом. Коэффициент изменения сопротивления при переключении полярности напряжения на диоде обычно составляет 103 и более раз.

Рис. 8.7. а) Устройство коммутационного pin-диода;

б) эквивалентная схема на высоких частотах при прямом смещении; в) эквивалентная схема на высоких частотах при обратном

смещении

Специфические особенности p-i-n-структуры, существенные для работы диодов в СВЧ-диапазоне, заключаются в следующем.

При работе в прямом направлении на достаточно высоких частотах f, определяемых соотношением:

диффузионная емкость Сдиф p+-i- и n+-i-переходов полностью шунтирует переходы. Таким образом, эквивалентная схема p-i-n-диода сводится к рис. 8.7б, где rпр — сопротивление базы, модулированное прямым током. Соотношение (8.6) заведомо

справедливо на сверхвысоких частотах f > 109 Гц.

При прямом смещении вследствие двойной инжекции дырок из p+-области и электронов из n+-области вся база «заливается» носителями и в эквивалентной схеме (рис. 8.7б) выполняется:

Значения rпр в номинальном режиме близки к величине ~1 Ом; при изменении прямого тока величина rпр может изменяться в широких пределах по закону, близкому к:

Глава 8. Лавинно-пролетные диоды

При обратном смещении эквивалентная схема pin-диода представляется в виде рис. 8.7в, где rобр — сопротивление i-базы в немодулированном состоянии, равное:

Реально rобр = 0,1—10 кОм.

Пробой p-i-n-структуры при отсутствии поверхностных утечек определяется соотношением:

где Eкр — критическое поле, обычно принимается Eкр = 2·105 В/см. Таким образом:

При протекании прямого тока величина накопленного заряда в базе выводится из соотношения:

поэтому величина τэфф определяется расчетно по паспортному значению Qнк.

При резком переключении полярности напряжения с прямого направления на обратное вначале протекает фаза рассасывания накопленного заряда, длительность которой равна:

где Iрас — обратный ток рассасывания; длительность второй фазы — восстановления обратного сопротивления — определяется дрейфовым процессом под действием поля в базе. По порядку величина близка к значению:

Таким образом, при работе в диапазоне СВЧ и отчасти ВЧ p-i-n-диод (без учета паразитных параметров Cк и Lк) представляет собой линейный резистор, сопротивление которого при прямом смещении rпр значительно меньше, чем при обратном rобр, при этом rпр зависит от прямого тока.

В качестве примера приведем характеристики кремниевого p-i-n-диода КА528АМ: прямое сопротивление потерь rпр при Рпд = 30 мВт, Iпр = 100 мА и λ = 10 см не более 0,5 Ом; критическая частота не менее 200 ГГц, На рис. 8.8а—8.8г приведены зависимости электрических параметров этого диода от режима работы [76].

Переключательные pin-диоды используются в качестве коммутирующих устройств различным СВЧ-устройством, в частности для фазированных антенных решеток. В этих устройствах pin-диоды имеют два рабочих электрически управляемых состояния: одно — при прямом, другое — при обратном смещении. Коммутационные СВЧ-диоды потребляют малую мощность в цепях управления, работают в непрерывном режиме при уровнях СВЧ-мощности до 1 кВт, а в импульсном — до 1 МВт. При использовании pin-диодов в качестве антенных шлейфовых диодных СВЧ-комму- таторов для соединения поочередно приемника и передатчика с приемопередающей многоэлементной антенной происходит снижение весогабаритных показателей и повышается надежность коммутирования.

Рис. 8.8. Зависимости электрических параметров диода КА528АМ от режима работы [76]:

а) зависимости обратного сопротивления потерь от напряжения; б) зависимости прямого сопротивления потерь от тока; в) зависимость предельной температуры от частоты; г) зависимость накопленного заряда от тока

Контрольные вопросы

8.1.Какую роль играет область лавинного умножения в устройствах лавиннопролетных диодов Рида ?

8.2.Каковы условия возникновения отрицательного сопротивления в диоде Рида?

8.3.Почему для коммутации СВЧ-сигналов используют именно pin-диоды, а не диоды с p-n-переходом?

ГЛАВА 9

ДИОДЫ ГАННА

9.1. Общие сведения

Диод Ганна — полупроводниковый диод, состоящий из однородного полупроводника, генерирующий СВЧ-колебания при приложении постоянного электрического поля.

Физической основой, позволяющей реализовать такие свойства в диоде, является эффект Ганна, который заключается в генерации высокочастотных колебаний электрического тока в однородном полупроводнике с N-образной вольт-амперной характеристикой [10, 36, 66].

Эффект Ганна обнаружен американским физиком Дж. Ганном (J. Gunn) в 1963 г. в кристалле арсенида галлия (GaAs) с электронной проводимостью. Ганн выявил, что при приложении электрического поля E (Eпор ≥ 2—3 кВ/см) к однородным образцам из арсенида галлия n-типа в образце возникают спонтанные колебания тока. Позднее он установил, что при E > Eпор в образце, обычно у катода, возникает небольшой участок сильного поля — «домен», дрейфующий от катода к аноду со скоростью ~107 см/с и исчезающий на аноде. Затем у катода формируется новый домен, и процесс периодически повторяется. Моменту возникновения домена соответствует падение тока, текущего через образец. Моменту исчезновения домена у анода — восстановление прежней величины тока. Период колебаний тока приблизительно равен пролетному времени, т. е. времени, за которое домен дрейфует от катода к аноду.

9.2. Требования к зонной структуре полупроводников

Эффект Ганна наблюдается главным образом в двухдолинных полупроводниках, зона проводимости которых состоит из одной нижней долины и нескольких верхних долин [2, 66].

Для того чтобы при переходе электронов между долинами возникало отрицательное дифференциальное сопротивление, должны выполняться следующие требования:

•средняя тепловая энергия электронов должна быть значительно меньше энергетического зазора между побочной и нижней долинами зоны проводимости, чтобы при отсутствии приложенного внешнего электрического поля бόльшая часть электронов находилась в нижней долине зоны проводимости;

•эффективные массы и подвижности электронов в нижней и верхних долинах должны быть различны. Электроны нижней долины должны иметь высокую

подвижность μ1, малую эффективную массу m1* и низкую плотность состояний. В верхних побочных долинах электроны должны иметь низкую подвижность μ2, большую эффективную массу m2* и высокую плотность состояний;

•энергетический зазор между долинами должен быть меньше, чем ширина запрещенной зоны полупроводника, чтобы лавинный пробой не наступал до перехода электронов в верхние долины.

9.2. Требования к зонной структуре полупроводников

Из изученных и применяемых полупроводниковых материалов перечисленным требованиям наиболее соответствует арсенид галлия n-типа.

Рассмотрим междолинный переход электронов в арсениде галлия. Приложим к однородному образцу из арсенида галлия электрическое поле. Если напряженность поля в образце мала, то все электроны находятся в нижней долине зоны проводимости (в центре зоны Бриллюэна). Поскольку средняя тепловая энергия электронов значительно меньше энергетического зазора между дном верхней и нижней долин зоны проводимости, они не переходят в верхнюю долину (рис. 9.1).

m*1 = 0,068

m*2 = 1,2

E = 0,36 эВ

Eg = 1,43 эВ

GaAs

Рис. 9.1. Схематическая диаграмма, показывающая энергию электрона в зависимости от волнового числа в области минимумов зоны проводимости арсенида галлия n-типа

Электроны нижней долины имеют малую эффективную массу m1* и высокую подвижность μ1. Плотность тока, протекающего через образец, определяется концентрацией электронов в нижней долине n1 (n1 = n0, где n0 — равновесная концентрация электронов в полупроводнике):

Увеличим приложенное электрическое поле. С ростом поля возрастает скорость дрейфа электронов. На длине свободного пробега l электроны приобретают энергию eEl, отдавая при столкновениях с фононами кристаллической решетки меньшую энергию. Когда напряженность поля достигает порогового значения EП, появляются электроны, способные переходить в верхнюю долину зоны проводимости.

Дальнейшее увеличение поля приводит к росту концентрации электронов в верхней долине. Переход из нижней долины в верхнюю сопровождается значительным ростом эффективной массы и уменьшением подвижности, что ведет к уменьшению скорости дрейфа. При этом на вольт-амперной характеристике образца появляется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением (ОДС) (рис. 9.2).

Для возникновения отрицательного дифференциального сопротивления необходим одновременный переход большинства электронов из центральной долины в боковую при пороговой напряженности электрического поля (рис. 9.3).

Глава 9. Диоды Ганна

Но получить статическую ВАХ, соответствующую сплошной кривой, не удается, так как в кристалле или около невыпрямляющих контактов всегда есть неоднородности, в результате чего возникают локальные напряженности электрического поля, превышающие среднюю напряженность. Превращение в этих местах «легких» электронов в «тяжелые» еще больше увеличивает неоднородность электрического поля. Поэтому практически не получается одновременного перехода большинства электронов в кристалле из центральной долины в боковую и статическая ВАХ остается без участка с ОДС.

J

qnμ1E

qnμ2E

E1 E2

Рис. 9.2. N-образная вольт-амперная характеристика:

E — электрическое поле, создаваемое приложенной разностью потенциалов;

J — плотность тока

E

E < EП

<100>

E

EП < E < E2

<100>

E

E > E2

<100>

Рис. 9.3. Распределение электронов при различных значениях напряженности поля