4 Лав_пролет. 4. Лавиннопролетные диоды (лпд, impattdiode Impact Avalanch Transit Time) Устройство и принцип действия
 Скачать 291 Kb.
|
105В/см). Ввиду малой степени легирования области дрейфа напряженность электрического поля в ней практически постоянна. Допущения: 1 а)) Толщина области лавинного умножения .2) Коэффициенты лавинного умножения электронов и дырок равны  б).3)  .4 в)) Носители движутся с предельной скоростью дрейфа .Рис. 4.1. Структура ЛПД Рида (а), распределение результирующей концентрации примеси (б), а также распределение напряженности электрического поля и коэффициента ударной ионизации (в). Рассмотрим качественно механизм возникновения отрицательной проводимости в диоде Рида. Когда носитель заряда (электрон или дырка) движется в направлении, в котором его перемещает электрическое поле, поле совершает работу над носителем и при этом отдает ему энергию. Когда носитель движется в направлении, противоположном тому, в каком стремится перемещать его электрическое поле, происходит обратное: носитель отдает энергию электрическому полю. Основное явление, которое используется в диоде Рида, состоит в том, что создаются условия, когда постоянное поле перемещает носители в направлении, противоположном тому, в котором их перемещает переменное поле. Таким образом, энергия, отдаваемая постоянным полем, поглощается полем переменного тока. Поскольку переменное поле непрерывно меняет свой знак, очевидно, нужны какие-то «ухищрения», чтобы, в конечном счете, энергия передавалась переменному полю. В диоде Рида для этого перекрывают поток носителей в течение полупериода, когда поле переменного тока имеет то же направление, что и поле постоянного тока, а затем поток носителей открывается как раз в нужный момент, когда постоянное и переменное поля снова станут противоположными, чтобы получать энергию от постоянного поля. Замечательно, что для этого приёма в диоде Рида не нужен третий электрод (как, например, в транзисторе), что значительно упрощает изготовление устройств для СВЧ, где необходимо, чтобы элементы были тонкими. Пусть вначале к диоду приложено большое обратное напряжение смещения, при котором еще не достигается критическое электрическое поле, вызывающее лавинный пробой. В этих условиях протекает только очень маленький обратный ток насыщения. На рис. 4.2а можно выделить участок сильного электрического поля (будущая область лавинного умножения) и более протяженный участок с умеренно сильным электрическим полем (область дрейфа). Если диод помещен в резонатор, то параллельно диоду включена индуктивность резонатора, так что возникает колебательный контур. Внутри контуров всегда присутствуют всплески шума, поэтому можно предположить, что на зажимах диода существует небольшое переменное синусоидальное напряжение. Посмотрим, поглощает ли этот сигнал энергию постоянного поля; если поглощает, то сигнал будет возрастать, если нет − будет затухать. Для случая на рис. 4.2а энергия не будет ни поглощаться, ни выделяться, поскольку отсутствует поток частиц. Электрическое поле будет лишь периодически изменяться, следуя изменению переменного напряжения. Предположим, что  . Очевидно, что в моментt = 0 переменное поле равно нулю, и результирующее поле − это постоянное поле на рис 4.2а. Четверть периода спустя ( ),  становится положительным и добавляется к постоянному напряжению, так что поле по всему диоду возрастает, как показано на рис 4.2б. Этот промежуток времени не годится для перемещения носителей в область дрейфа, так как переменное и Рис.4.2 Электрическое поле в диоде Рида: а − постоянное электрическое поле; б − пиковое электрическое поле в момент, когда максимальное переменное поле имеет то же направление, что и постоянное поле; в − минимальное электрическое поле в момент, когда максимальное переменное и постоянное поля противоположны по направлению. постоянное поля направлены одинаково. Спустя еще четверть периода (  ), снова становится равной нулю, и распределение полного поля повторяет рис.4.2а. Спустя еще четверть периода ( ), становится отрицательным и вычитается из  (рис.4.2в); переменное и постоянное поля противоположны. Если бы носители пересекали в это время дрейфовую область, то они отдавали бы энергию переменному полю. Это как раз то, что требуется. Еще через четверть периода ( ), снова становится равной нулю, и распределение полного поля повторяет рис.4.2а.а  Рис.4.3 Распределение поля и плотности заряда в диоде в различные моменты времени: а −   ; б −  ; в −  ; г−  .Теперь можно описать, как осуществляется обмен энергией в диоде. Для распределения поля, показанного на рис 4.2а, предположим, что при  приложено такое напряжение, что  − критическому электрическому полю лавинного умножения. Дополнительно приложено ещё напряжение .При лавинной ионизации в области, где поле превышает критическое, поток частиц нарастает экспоненциально со временем (лавинное умножение). При докритическом поле ток экспоненциально убывает до небольшого стационарного значения. Теперь можно снова проследить за ходом переменного напряжения в течение периода, предполагая, что плотности пространственного заряда носителей настолько малы, что можно пренебречь их влиянием на электрическое поле. В момент времени носители, в небольшом количестве присутствующие в узкой лавинной области (и создающие обратный ток диода), начинают умножаться и их число экспоненциально растет. По мере того, как носители генерируются в этой узкой области, они непрерывно выносятся оттуда электрическим полем. В зависимости от своего заряда они выталкиваются либо в р+-область (дырки), либо в дрейфовую область (электроны). Через четверть периода ( ) распределение плотности заряда будет таким, как на 4.3а. Как видно, плотность носителей в области умножения возросла, и по мере её роста все больше и больше носителей поступает в область дрейфа. Видно также, что эти носители дрейфуют в течение нежелательного интервала периода и что относительно этих носителей совершает работу переменное поле. В идеальном случае желательно, что бы их не было в дрейфовой области. Реально вследствие малой начальной концентрации носителей даже в результате лавинного умножения их число невелико.Еще через четверть периода картина распределения поля и заряда показана на рис.4.3б. В течение всего промежутка времени  растет ток в лавинной области. Как раз в тот момент, когда переменное поле направлено почти точно противоположно постоянному полю (и дрейфующие носители должны отдавать энергию переменному полю), концентрация носителей достигает максимального значения, и носители готовы перемещаться через дрейфовую область. Это скопление носителей есть окончательный результат экспоненциального роста, который внезапно ограничивается, когда электрическое поле в лавинной области становится ниже критического. Таким образом, ток инжектируемых в дрейфовую область электронов запаздывает по отношению к переменному напряжению на  . Это − так называемое лавинное запаздывание. Распределение плотности носителей еще через четверть периода ( ), когда переменное поле достигает своего максимального значения, показано на рис. 4.3в.Наконец, когда полностью завершен период, носители готовы покинуть дрейфовую область, прежде чем переменное поле станет очень сильным в невыгодным для работы устройства направлении (рис.4.3.в). Ток в цепи продолжает течь, пока электроны не достигнут анода, что вносит пролетное запаздывание. Необходимое условие работы диода Рида: дрейфовая область должна быть такой протяженности, чтобы время пролета через нее составляло полпериода частоты, на которой работает устройство. Таким образом, происходит передача энергии от постоянного поля переменному, и колебания нарастают. К  ак видно из рис. 4.4 переменный ток в ЛПД протекает в промежутки времени, когда переменное напряжение на диоде отрицательно, то есть знак дифференциального сопротивления прибора на этой частоте отрицателен. Таким образом, оптимальные условия для возбуждения колебаний отвечают частоте .Рис.4.4 Осциллограммы тока и напряжения в ЛПД При w =5мкм для кремния  .Кривые рис.4.4. 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 ,что при  составляет 64%. Эта оценка, однако, оказывается завышенной из-за ряда неучтенных эффектов. Главным из них является то, что инжекция зарядового пакета искажает распределение электрическое поля в области дрейфа, увеличивая поле в области перед движущимся пакетом и уменьшая его в области за пакетом. Необходимо, чтобы напряженность поля в области дрейфа всегда оставалась бы достаточно высокой (чтобы носители двигались с предельной скоростью насыщения), но при этом никогда бы не превышала напряженность поля лавинного пробоя. Если учесть, что падение напряжения на области лавинного умножения VA практически не меняется за период колебаний, а в качестве среднего значения напряженности поля взять величину  , то расчет дает для максимального к.п.д. ЛПД из кремния , а ЛПД из GaAs − .Способом повышения к.п.д. является изготовление ЛПД на основе гетеропереходов. Так, в ЛПД на основе гетероперехода GaAs-Ge удалось получить к.п.д. 45% на частоте 8ГГц в непрерывном режиме.  Максимальная мощность, которую можно получить от ЛПД, определяется, кроме к.п.д. прибора, еще двумя факторами: эффективностью теплоотвода и физическими свойствами используемого полупроводника. Для ЛПД, работающих на частотах до 30 ГГц в непрерывном режиме, первый фактор является основным. Если считать, что отвод тепла ограничивается теплопроводностью полупроводника, то поскольку толщина структуры, которая определяется толщиной области дрейфа, изменяется обратно пропорционально частоте генерации (см. формулу), то и максимальная рассеиваемая мощность, и мощность генерации изменяются как  , то есть обратно пропорциональны частоте. При работе ЛПД в импульсном режиме, а также для диодов, работающих в непрерывном режиме на частотах выше 30ГГц, эффекты нагрева отходят на второй план, и основные ограничения выходной мощности связаны с электронными характеристиками полупроводника: напряженностью поля лавинного пробоя  и скоростью насыщения  . При этом нужно учитывать, что теплопроводность GaAs в три раза хуже, чем у Si. Поэтому, несмотря на меньший к.п.д. от кремниевых ЛПД можно получить бόльшую выходную мощность, и на частотах выше 35 ГГц большинство ЛПД изготавливают из кремния.Генераторы на ЛПД работают на частотах до  390 ГГц и перекрывают весь диапазон сантиметровых и миллиметровых длин волн. Верхняя граница частот связана с диффузионным расплыванием зарядового пакета при его движении в области дрейфа. Согласно расчетам максимальная частота, связанная с этим эффектом, оценивается по формуле .Легко видеть, что этот эффект должен быть особенно выражен для электронов в GaAs, в котором подвижность и коэффициент диффузии велики. Оценки показывают, что максимальная частота ЛПД из GaAs ограничена величиной 80 ГГц; для кремния эта частота составляет 460 ГГц. При работе ЛПД с зарядовыми пакетами дырок максимальные частоты в Si и GaAs превышают 1000ГГц (реально получено 394 ГГц).Выходная мощность ЛПД из Si и GaAs на частоте 10 ГГц достигает 50Вт в импульсном режиме и 5Вт в непрерывном режиме. Ориентировочные значения выходной мощности и к.п.д. ЛПД в зависимости от частоты генерации приведены в таблице 4.1.Таблица 4.1
Последовательное включение двух или трех ЛПД позволяет получить в импульсном режиме мощности до |
).
— импеданс нагрузки):
;
, если 
.
.