Реферат: Лавинно-пролетный диод

Содержание

Введение.................................................................................................. 3

1Основные особенности лавинно-пролетных диодов.........................

4 2 Диоды с полевой эмиссией.................................................................. 9 3 Принцип работы ЛПД.......................................................................... 15 Заключение.............................................................................................. 19 Список использованной литературы..................................................... 20

ВВЕДЕНИЕ

Настоятельнаянеобходимость миниатюризации аппа­ратуры СВЧ, повышение ее экономичности инадежности вызвала быстрый рост рабочих частот полупроводнико­вых приборов.Наряду с большими успехами в техноло­гии транзисторов этому способствовалооткрытие новых физических явлений в полупроводниках, сделавшее воз­можнымразработку приборов, адекватных СВЧ диапа­зону.

Одним из первых явлений такого родабыло обнару­женное СВЧ излучение при ударной ионизации  в р-п переходах,послужившее основой для создания в 1959 г. новых СВЧ приборов—лавинно пролетныхдиодов (ЛПД).

На базе ЛПД создаются ибыстро совершенствуются разнообразные приборы и устройства, в первую очередь генераторыкогерентных и шумовых колебаний сантиметрового и миллиметрового диапазонов.Малые габариты и вес, экономичность, виброустойчивость и т. п. позволяютотнести генераторы на ЛПД к числу наиболее перспектив­ных источниковэлектромагнитных колебаний СВЧ, открывающих широкие возможности развития СВЧмикросхемотехники.

1 ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИЛАВИННО-ПРОЛЕТНЫХ ДИОДОВ

Характерной особенностью развитиясовременной ра­диотехники является быстрое продвижение полупроводниковыхприборов в область сверхвысоких частот. Про­гресс в этом направлении былдостигнут в результате значительного усовершенствования технологии изготовлениявысокочастотных транзисторов, разработки тун­нельных диодов и диодов спеременной емкостью (варакторов). Хотя все эти приборы появились совсемнедавно, они уже широко применяются в диапазоне СВЧ в ка­честве  элементоввысокочувствительных приемных устройств и умножительных цепочек. Однако допослед­него времени не удавалось создать эффективного авто­генераторасантиметровых волн, который мог бы слу­жить твердотельным эквивалентом одногоиз основных электровакуумных приборов СВЧ — отражательного кли­строна.

Этот пробел в значительной меревосполняет новый полупроводниковый СВЧ прибор — лавинно-пролетныйдиод (ЛПД), являющийся основой целого класса СВЧ устройств; генераторов,усилителей и преобразователей частоты.

Впроцессе исследования зависимости коэффициента преобразования частоты вдиапазоне СВЧ на параме­трических полупроводниковых диодах от величины при­ложенногок диоду постоянного смещения и мощности накачки было установлено, что прибольших значениях обратного напряжения, превышающих пробивное, неко­торые издиодов генерировали СВЧ колебания и в от­сутствие сигнала накачки.

Диффузионные диоды смеза-структурой и одним р-п переходом, сформированным путем диффузии мышьяка вгерманий р-типа, легированный галлием (рис. 1).

Рис. 1. Структура диода.

Рис. 2. Схема включения ЛПД в цепьпостоянного тока.

Диод помещали в высокочастотныйрезонатор и вклю­чали в цепь постоянного тока, как показано на рис. 2. ГенерацияСВЧ колебаний наблюдалась при отрица­тельных напряжениях, на 0,5—1,5 В,превышающих про­бивное напряжение, когда через диод проходил постоян­ный ток от0,5 до 10—15 мА. Мощность колебаний в не­прерывном режиме составляла дляразличных диодов величину от десятков микроватт до нескольких милли­ватт.Спектр колебаний в зависимости от тока, текущего через диод, и настройкирезонатора изменялся от близ­кого к шумовому до почти монохроматического. Длинаволны колебаний лежала в пределах от 0,8 до 10 см и зависела от размероврезонатора и значений реактив­ных параметров диодов. Перестраивая резонатор (на­пример,перемещением короткозамыкающего плунжера), можно было плавно изменять частоту имощность ко­лебаний. В недовозбужденном режиме вблизи порога генерациинаблюдалось регенеративное усиление СВЧ колебаний с коэффициентом усиления15—20 дб. Диоды на которых были получены генерация и усиление СВЧ колебаний,как правило, не давали заметной паразитной генерации на более низких частотах,хотя не при­нималось специальных мер для ее подавления.

Рис 3.Обратная ветвь вольтамперной характеристики ЛПД

Уже первые экспериментыпоказали, что основным признаком генерирующих диодов, является форма об­ратнойветви их вольтамперной характеристики, пока­занной на рис. З сплошной линией.Как видно из ри­сунка, особенностью этой харак­теристики является резкий изломпри пробивном напряжении Uпр. Приотрицательных напряжениях, меньших (по абсолютной величи­не) Uпр, ток, текущий через диод (ток насыщения), очень мал и со­ставляет дляразличных диодов от 0,01 до 1 мкA. При U=Unp вольтамперная характеристика претер­певаетрезкий излом, ток резко возрастает и при дальнейшем уве­личении отрицательногосмещения растет почти линейно с на­пряжением. Максимальное значе­ниепостоянного тока диода огра­ничивалось опасностью теплового пробоя, выводящегодиод из строя.

Наклон вольтампернойхарактеристики на рабочем участке был всюду положительным и соответствовалположительному дифференциальному сопротивлению Rд слабо зависящему от тока и лежащему для различныхдиодов в интервале 50—300 Ом.

Вольтампернаяхарактеристика негенерировавших диодов, как правило, отличалась более или менееплав­ным увеличением тока вблизи пробивного напряжения (штриховая кривая рис.З) и большим значением диф­ференциального сопротивления Rд на этом участке. На некоторых диодах при U>Uпр наблюдались скачки тока,соответствующие участкам вольтамперной характеристи­ки с отрицательнымнаклоном. Эти диоды в ряде слу­чаев давали низкочастотную генерацию (1—10 кГц),но, как правило, не генерировали СВЧ колебания.

Последующие экспериментыпоказали, что подобные же явления (генерация СВЧ колебаний) могут наблю­датьсяи на диодах другой структуры: диффузионных на базе n-германия, сплавных германиевых диодах с рез­ким  р-п переходом, диффузионных и сплавных кремние­вых диодах ит. д.

Таким образом, была установленавозможность эф­фективной (с КПД > 1%) генерации, а также усиле­ния СВЧколебаний полупроводниковым диодом, вольтамперная характеристика которого неимеет «падающих» участков или, иначе говоря, не имеет «статического» от­рицательногосопротивления.

Физическаяпри­рода этого динамического отрицательного сопротивления связана с процессомударной ионизации в р-п переходе и с взаимодействием образованной при этомлавины свободных носителей тока (электронов и дырок) с вы­сокочастотным полем вслое объемного заряда (запой­ном слое) обратно смещенного р-п перехода. Действи­тельно,известно два основных механизма резкого воз­растания тока в обратно смещенномр-п переходе — ла­винный пробой вследствие ударной ионизации атомов кристаллаподвижными электронами и дырками и эф­фект Зинера — туннельный переходносителей заряда из заполненной зоны одного полупроводника в свободную зонудругого. Эффект Зинера проявляется лишь в достаточно узких р-п переходах снапряжением пробоя меньше 5 В для германия. В нашем случае это напряжениепревышало 20 В, так что возрастание тока можно было целиком отнести за счетударной иони­зации. Исследования подтвердили это предположение, и диоды, вкоторых наблюдался эффект генерации СВЧ колебаний, были названылавинно-пролетными.

2 ДИОДЫ С ПОЛЕВОЙЭМИССИЕЙ

Диоды с динамическимотрицательным сопротивле­нием известны в вакуумной электронике уже 60 лет. Л.Левеллин экспериментально показал возможность создания на основе такого диодагенератора СВЧ. Схема подобного генератора включает диодный проме­жуток,ограниченный двумя электродами — катодом и анодом, к которым приложенапостоянная U0и пере­менная U~разности потенциалов, и внешний колеба­тельный контур.

С термоэмиссионного катода в диодныйпромежуток поступает немодулированный поток электронов. Под дей­ствиемпеременного поля скорость электронов изменя­ется, и первоначально однородныйэлектронный поток группируется. При этом средняя (за период) энергиявзаимодействия электронов с переменным полем оказы­вается отличной от нуля изависящей от угла пролета электронов в диоде q = wt (t—времяпролета электро­нов). В определенных интервалах значений угла пролета

2pn < q < (2n + 1)  (n = 1, 2,...).

Эта энергия отрицательна, т. е.происходит трансформация кинетической энергии электронов в энергиювысокочастотного поля. В соответствующих диапазонах частот активноесопротивление диода отрицательно.

Однако поскольку группировкаэлектронов и отбор высокочастотной мощности происходят в одном и том жепролетном пространстве при отсутствии в этом простран­стве замедленныхэлектромагнитных волн, эффектив­ность такого взаимодействия невелика иабсолютная ве­личина активного сопротивления диода много меньше величины егореактивного (емкостного) сопротивления. Поэтому для создания автогенератора вСВЧ диапазоне приходится подключать к диоду внешний контур с высо­койдобротностью и снимать с катода очень большие плотности тока. В связи с этимреализация подобных генераторов встретила значительные трудности и они не нашлипрактического применения.

Между тем существуетпринципиально простой спо­соб резкого повышения эффективности диодных генера­торов.Он заключается в замене модуляции электронов по скорости модуляцией по току навходе в диодный промежуток.

Допустим, что вместотермоэмиссионного катода в диоде используется какой-либо тип автоэмиссионного катода с достаточно резкой зависимостью тока эмиссии от напряженности электрическогополя. В этом случае выходящий из катода поток электронов будет модулирован поплотности с частотой приложенного напряжения.

Активное сопротивлениетакого диода может принимать отрицательные значения и при отсутствиидополнитель­ной группировки электронов в диодном промежутке. Это хорошо виднона пространственно-временной диаграмме движения электронов в диоде с полевойэмиссией, изо­браженной на рис. 4а. Сгустки электронов, вырванные из катода вмоменты максимума высокочастотного поля, движутся сначала в ускоряющем, а затемв тормозящем поле, и, если угол пролета между катодом и анодом превышает p, активное сопротивление диодаотрицательно и достигает максимальной величины при q » 3/2 p(рис. 1.2, а). Дополнительная группировка электронов за счет модуляции поскорости в диодном промежутке игра­ет при этом второстепенную роль. Как условиявозбуж­дения, так и к. п. д. такого генератора могут быть зна­чительно лучшими,чем у диодных генераторов со скоростной модуляцией электронов.

Рис. 4а относится к случаю, когда токэмиссии мгно­венно следует за напряженностью электрического поля. Допустимтеперь, что по каким-либо причинам ток эмиссии отстает во времени отнапряженности электрического поля. Причины такого запаздывания эмиссии могутбыть различными.

Рис. 1.1.Пространственно-вре­менная диаграмма движения электронов в диоде с полевойэмиссией:

а) без запаздывания эмиссии;

б) сзапаздыванием эмиссии.

Зависимость активного сопротивлениятакого диода от угла пролета электронов без учета элек­тронногопространственного заряда схематически изобра­жена на рис. 5б. В идеальномслучае КПД такого генератора может достигать больших значений.

Рис. 5. Активноесопротивление диода с полевой эмиссией:

а) без запаздывания эмиссии;

б) сзапаздыванием эмиссии.

В предыдущих рассужденияхмы исходили из чисто кинематической модели, пренебрегая влиянием объем­ногозаряда на группировку электронов в диодном про­межутке. Между тем это влияниево многих вариантах диодных генераторов отнюдь не мало. Особенно суще­ственнароль объемного заряда в диодах с полевой эмиссией, в которых электронныйобъемный заряд, сни­жая напряженность электрического поля у катода, непо­средственновлияет на ток эмиссии. По существу элек­тронный объемный заряд создает в диодесвоеобразный механизм внутренней отрицательной обратной связи. Если ток эмиссиимгновенно следует за полем, то дейст­вие этой отрицательной обратной связисводится лишь к ограничению протекающего через диод среднего тока. Однако, еслиэмиссия инерционна, положение суще­ственно меняется.

Отставание тока эмиссии от поляэквивалентно введениию в отрицательную обратную связь запаздывания, чтосущественно влияет на колебательные свойства си­стемы. Обладая определеннымидисперсионными свой­ствами, такая обратная связь на одних частотах облег­чаетусловия возбуждения автоколебаний в системе, сни­жая требования к добротностивнешнего резонансного контура, а на других, напротив, ухудшает эти условиявплоть до полного подавления автоколебаний. Более то­го, при некоторых условияхэта связь может оказаться достаточной, чтобы в диоде возникли собственныеавтоколебания, вообще не нуждающиеся во внешнем доброт­ном резонансном контуре.В этом случае диодный про­межуток работает как автоколебательная система, созда­ваяво внешней активной нагрузке импульсы тока с ча­стотой, определяемой временемзапаздывания и скоро­стью «срабатывания» отрицательной обратной связи.

Колебательный процесс в такомгенераторе можно схематически представить следующим образом (рис. 6).

Допустим, например, что время пролетаэлектронов в диоде t независит от высокочастотного поля и вдвое превышает время запаздывания эмиссии.Пусть в момент времени t=0к диоду приложена разность потенциалов U0,создающая у катода напряженность по­ля Е=Е(0), превышающую на DE(0) критическое значение Enp, при котором начинается эмиссияэлектронов.

Рис. 6. Изменение во времени поля у катода Е(0) и тока IЭ в диоде с запаздывающей эмиссией.

При t=t1=t3 возникает ток IЭ, величина которого определяется полем Е(0) исохраняется неизменной в течение времени t3.По мере увеличения объемного заряда в диодном промежутке поле у катодаснижается и, если плотность тока эмиссии достаточно высока, принимает значения,меньшие Uпр. Эмиссия из катода длится в течениевремени, несколько превышающего t3, и затем  прекращается. К  ано­ду движется  пакет электронов.  В  момент t2=t+2t3+Dt»3/2t первые электроны пакета достигаютанода, поле у катода начинает возрастать. К моменту t2=t+2t3+Dt»3/2t весь пакет электронов выходит изпролетного пространства, поле у катода достигает начальной величины. Затем циклповторяется. Длительность цикла, т. е. период колебаний, составляет, такимобразом, около 2p/w. Добавление поля электронногопространственного заряда нарушает описанные выше фазовые соотношения междутоком эмиссии и электрическим полем в диодном промежутке, в результате чего начастотах, ниже некоторого значения, активное сопротивление диода становитсяположительным. Эта так называемая харак­теристическая частота зависит от запаздыванияи кру­тизны изменения тока эмиссии с полем; она близка к ча­стоте собственныхавтоколебаний диода.

Изложенные соображения носят общийхарактер и полностью применимы не только к вакуумным, но и к диодам другихтипов —диэлектрическим, полупровод­никовым и т. п., с учетом, разумеется,специфики движе­ния носителей заряда в твердых телах. В частности, этисоображения имеет непосредственное отношение к меха­низму работылавинно-пролетных диодов.

3ПРИНЦИП РАБОТЫ ЛПД

Схематически механизм работы р-n ЛПДможно представить следующим образом. Рассмотрим для опре­деленности запорныйслой обратно смещенного плавно­го p-n перехода (рис. 7). Он представляет собой уча­сток полупроводника, вкотором практически отсутству­ют подвижные носители заряда, а приложенная к р-n переходу разность потенциаловкомпенсируется полем объемного заряда ионов примеси Nnи Np, положитель­ным в одной частизапорного слоя (n-слой) и отрица­тельным — в другой (p-слой). Этот участокограничен с обеих сторон нейтральными слоями полупроводника. Напряженностьэлектрического поля Е максимальна в плоскости х=0, где объемныйзаряд ионов примеси меняет знак (плоскость технологического перехода). По мереувеличения напряжения смещения запорный слой расширяется и напряженностьэлектрического поля воз­растает. Когда поле в плоскости технологического пере­ходадостигает некоторого критического значения Е = Еnp, начинается интенсивный процессударной иониза­ции атомов кристалла подвижными носителями заряда, приводящий клавинному умножению числа носителей и образованию новых электронно-дырочныхпар.

Область, где происходит рождениеносителей заряда, ограничена более или менее уз­ким слоем — так называемымслоем умножения, рас­положенным вблизи технологического перехода, где поле<sup/>максимально (рис. 7). Образованные в слое умноже­ния электроны и дыркидрейфуют под действием сильного электрического поля к границе нейтрального полу­проводникачерез пролетные участки запорного слоя, причем дырки движутся через р-слой,  а,электроны через п-слой. Так как  напряженность электрического поля в большейчасти р-п перехода очень велика, то скорость дрейфа носителей практическипостоянна и не завялит от поля.

Рис. 7. Схемаплавного р-п перехода ЛПД:

а) запирающийслой;

б)распределение ионов примеси;

в) измениеэлектрического поля.

Таким образом, обратно смещенный р-ппереход при напряжении, близком к пробивному, представляет собой диодныйпромежуток, в котором роль катода играет слой умножения, а роль пролетногопространства — остальная часть запорного слоя. Эмиссия такого катода носит ярковыраженный «полевой» характер — ток, вы­ходящий из слоя умножения, возрастаетили убывает в зависимости от напряженности электрического поля в этом слое.Лавинная природа тока эмиссии обуслов­ливает его инерционность — для развитиялавины требу­ется определенное время, так что мгновенное значениеэлектрического поля определяет не саму величину лавин­ного тока, а лишьскорость его изменения во времени. Поэтому изменение тока не следует мгновенноза изме­нением электрического поля, а отстает от него по фазе на величину,близкую к p/2.

Такой р-п переход близокпо свойствам к оптималь­ному варианту полевого диода, в котором ток эмиссииотстает от поля на четверть периода. Под действием приложенного к р-п переходупеременного напряжения из слоя умножения выходят «пакеты» носи­телей заряда,которые сразу попадают в тормозящее вы­сокочастотное поле, так что энергиявзаимодействия этих носителей с полем отрицательна почти при любой ши­рине р-пперехода. Отсутствие модуля­ции скорости носителей в этом случае лишь улучшаетвысокочастотные свойства диода.

Поэтому основные выводы освойствах полевого дио­да с запаздывающей эмиссией, сделанные выше, приме­нимыи к лавинно-пролетному диоду. Это касается, в частности, соображений о влиянииобъемного заряда под­вижных носителей на колебательные свойства генератора налавинно-пролетном диоде. Попадая в пролетное пространство, основные носителичастично нейтрализуют пространственный заряд ионов примеси и снижают поле вслое умножения. Этот эффект облегчает условия само­возбуждения генератора начастотах выше характери­стической и препятствует возникновению паразитныхколебаний на более низких частотах, где активное со­противление диодаположительно.  

Вместе с тем, ЛПД имеет специфическиеособенно­сти, связанные с лавинной природой тока, из которых принципиальнойявляется одна: сдвиг по фазе между полем и током в слое умножения, вследствиеконечной ширины последнего, как правило, превышает p/2, и слой умножения сам по себе ужеобладает отрицательным сопротивлением. В большинстве практически реализуе­мыхр-п структур этот эффект является второстепенным, однако для одного классадиодов он играет решающую роль, определяя основные особенности их высокочастот­ныххарактеристик.

Сдвиг фаз между током и напряжениемна диоде определяется в этом случае инерционностью процесса ударной ионизации ипролетными эффектами во всем запорном слог. Вместе эти эффекты обеспечиваютдостаточно высокую эффективность взаимодействия носителей тока с высо­кочастотнымэлектрическим полем, сравнимую с эффек­тивностью взаимодействия в ЛПД другихтипов.

Наряду с лавинно-пролетным могут,очевидно, су­ществовать и другие полу­проводниковые диоды с ди­намическимотрицательным сопротивлением. Так, напри­мер, этим свойством должен в принципеобладать обрат­но смещенный р-п переход, в котором пробой связан не с ударнойионизацией, а с эф­фектом Зинера (туннельным эффектом). Так как участок, гдепроисходит рождение по­движных носителей тока, в этом случае локализован втонком слое, где электриче­ское поле максимально, та­кой полупроводниковый ди­од(его можно назвать «туннельно-пролетным диодом») должен быть, очевидно, ана­логиченпо своим свойствам, вакуумному диоду с авто­эмиссионным катодом. Ес­ли возможно пренебречь инерцией туннельного эффек­та, то в отличие отлавинно-пролетного диода в диоде Зинера ток и поле у «катода» следует считатьсинфазными. Как отмечалось выше, и в этом случае в определен­ных интервалахзначений угла пролета носителей заряда активное сопротивление р-п переходаможет быть отри­цательным. Однако отсутствие запаздывания в механиз­ме обратнойсвязи, создаваемой объемным зарядом по­движных носителей, ухудшает условиясамовозбуждения колебаний. Поэтому генераторы на диодах Зинера осу­ществитьтруднее, чем генераторы на лавинно-пролетных диодах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Современная техника СВЧ немыслима безприменения полупроводниковых диодов. Видеодетектирование, гетеродинноесмешение, усиление слабых сигналов, генерация гармоник, коммутация СВЧ мощности– таковы функции, выполняемые в настоящее время полупроводниковыми диодами вСВЧ системах. Естественно, что такое многообразие применений приводит кмногообразию требований, предъявляемых к характеристикам различных типовдиодов. Чтобы удовлетворить этим требованиям, разработчик диодов имеетопределенную свободу в выборе  полупроводникового материала, из которого должныбыть изготовлены диоды, его удельного сопротивления, технологии изготовлениядиода, его геометрии. Причем набор оптимальных электрофизических параметровполупроводникового материала и его геометрических размеров может быть сделанлибо на основе эмпирического характера, либо на основе теории, дающей связьмежду электрофизическими параметрами полупроводника и его геометрическимиразмерами.

СПИСОКИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. А.С. Тагер,В.М. Вальд-Перлов. Лавинно-пролетные диоды и их применение в технике СВЧ. М.,«Сов.радио», 1968.

2. С.Н. Иванов,Н.А. Пенин, Н.Е. Скворцова, Ю.Ф. Соколов. Физические основы работыполупроводниковых СВЧ диодов. М., 1965.

3. Пасынков В.В,Л.К. Чиркин, А.Д. Шинков. Полупроводниковые приборы и диэлектрики». М., «Высш.школа», 1973.