Реферат: Лавинно-пролетный диод

Содержание

Введение..................................................................................................

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

2Диоды с полевой эмиссией..................................................................

3Принцип работы ЛПД..........................................................................

Заключение..............................................................................................

Список использованной литературы.....................................................

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 изпервых явлений такого рода было обнаруженное СВЧ излучение при ударнойионизации в р-п переходах, послужившееосновой для создания в1959 г. новых СВЧприборов—лавинно пролетных диодов (ЛПД).

Набазе ЛПД создаются и быстро совершенствуются разнообразные приборы иустройства, в первую очередь генераторы когерентных и шумовых колебанийсантиметрового и миллиметрового диапазонов. Малые габариты и вес,экономичность, виброустойчивость и т. п. позволяют отнести генераторы на ЛПД кчислу наиболее перспективных источников электромагнитных колебаний СВЧ,открывающих широкие возможности развития СВЧ микросхемотехники.

1 ОСНОВНЫЕОСОБЕННОСТИ ЛАВИННО-ПРОЛЕТНЫХ ДИОДОВ

Характернойособенностью развития современной радиотехники является быстрое продвижениеполупроводниковых приборов в область сверхвысоких частот. Прогресс в этомнаправлении был достигнут в результате значительного усовершенствованиятехнологии изготовления высокочастотных транзисторов, разработки туннельныхдиодов и диодов с переменной емкостью (варакторов). Хотя все эти приборыпоявились совсем недавно, они уже широко применяются в диапазоне СВЧ в качестве элементов высокочувствительных приемныхустройств и умножительных цепочек. Однако до последнего времени не удавалосьсоздать эффективного автогенератора сантиметровых волн, который мог бы служитьтвердотельным эквивалентом одного из основных электровакуумных приборов СВЧ— отражательного клистрона.

Этот пробелв значительной мере восполняет новый полупроводниковый СВЧ прибор— лавинно-пролетный диод (ЛПД),являющийся основой целого класса СВЧ устройств; генераторов, усилителей ипреобразователей частоты.

В процессе исследования зависимости коэффициентапреобразования частоты в диапазоне СВЧ на параметрических полупроводниковыхдиодах от величины приложенного к диоду постоянного смещения и мощностинакачки было установлено, что при больших значениях обратного напряжения,превышающих пробивное, некоторые из диодов генерировали СВЧ колебания и в отсутствиесигнала накачки.

Диффузионныедиоды с меза-структурой и одним р-п переходом, сформированным путем диффузиимышьяка в германий р-типа, легированный галлием (рис.1).

Рис. 1.Структурадиода.

Рис. 2.Схема включения ЛПД в цепь постоянного тока.

Диодпомещали в высокочастотный резонатор и включали в цепь постоянного тока, какпоказано на рис. 2. Генерация СВЧколебаний наблюдалась при отрицательных напряжениях, на0,5—1,5 В, превышающих пробивное напряжение, когда через диодпроходил постоянный ток от0,5 до10—15 мА. Мощность колебаний в непрерывномрежиме составляла для различных диодов величину от десятков микроватт донескольких милливатт. Спектр колебаний в зависимости от тока, текущего черездиод, и настройки резонатора изменялся от близкого к шумовому до почтимонохроматического. Длина волны колебаний лежала в пределах от0,8 до10см и зависела от размеров резонатора и значений реактивных параметров диодов.Перестраивая резонатор (например, перемещением короткозамыкающего плунжера),можно было плавно изменять частоту и мощность колебаний. В недовозбужденномрежиме вблизи порога генерации наблюдалось регенеративное усиление СВЧколебаний с коэффициентом усиления15—20дб. Диоды на которых были получены генерация и усиление СВЧ колебаний, какправило, не давали заметной паразитной генерации на более низких частотах, хотяне принималось специальных мер для ее подавления.

Рис 3. Обратная ветвь вольтамперной характеристики ЛПД

Ужепервые эксперименты показали, что основным признаком генерирующих диодов,является форма обратной ветви их вольтамперной характеристики, показанной нарис. З сплошной линией. Как видно из рисунка, особенностью этой характеристикиявляется резкий излом при пробивном напряжении Uпр. Приотрицательных напряжениях, меньших (по абсолютной величине)Uпр,ток,текущий через диод (ток насыщения), очень мал и составляет для различныхдиодов от 0,01 до1 мкA. ПриU=Unpвольтамперная характеристикапретерпевает резкий излом, ток резко возрастает и при дальнейшем увеличенииотрицательного смещения растет почти линейно с напряжением. Максимальное значениепостоянного тока диода ограничивалось опасностью теплового пробоя, выводящегодиод из строя.

Наклонвольтамперной характеристики на рабочем участке был всюду положительным исоответствовал положительному дифференциальному сопротивлению Rдслабозависящему от тока и лежащему для различных диодов в интервале50—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 Rдна этомучастке.Нанекоторыхдиодах приU>Uпрнаблюдались скачки тока, соответствующие участкам вольтамперной характеристикис отрицательным наклоном. Эти диоды в ряде случаев давали низкочастотнуюгенерацию(1—10 кГц), но, как правило, негенерировали СВЧ колебания.

Последующиеэксперименты показали, что подобные же явления (генерация СВЧ колебаний) могутнаблюдаться и на диодах другой структуры: диффузионных на базе n-германия, сплавных германиевых диодах с резким р-п переходом, диффузионныхи сплавных кремниевых диодах и т. д.

Такимобразом, была установлена возможность эффективной (с КПД> 1%)генерации, а также усиленияСВЧ колебаний полупроводниковым диодом, вольтамперная характеристика которогоне имеет «падающих» участков или, иначе говоря, не имеет «статического» отрицательногосопротивления.

Физическая природа этого динамическогоотрицательного сопротивления связана с процессом ударной ионизации в р-ппереходе и с взаимодействием образованной при этом лавины свободных носителейтока (электронов и дырок) с высокочастотным полем в слое объемного заряда(запойном слое) обратно смещенного р-п перехода. Действительно, известно дваосновных механизма резкого возрастания тока в обратно смещенном р-п переходе —лавинный пробой вследствие ударной ионизации атомов кристалла подвижнымиэлектронами и дырками и эффект Зинера—туннельный переход носителей заряда из заполненной зоны одного полупроводника всвободную зону другого. Эффект Зинерапроявляется лишь в достаточно узких р-п переходах с напряжением пробоя меньше5 В для германия. В нашем случае это напряжение превышало20 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

Диодыс динамическим отрицательным сопротивлением известны в вакуумной электроникеуже60 лет. Л. Левеллин экспериментальнопоказал возможность создания на основе такого диода генератора СВЧ. Схема подобного генератора включает диодныйпромежуток, ограниченный двумя электродами —катодом и анодом, к которым приложена постояннаяU0и переменнаяU~разности потенциалов, и внешний колебательныйконтур.

Стермоэмиссионного катода в диодный промежуток поступает немодулированный потокэлектронов. Под действием переменного поля скорость электронов изменяется, ипервоначально однородный электронный поток группируется. При этом средняя (запериод) энергия взаимодействия электронов с переменным полем оказываетсяотличной от нуля и зависящей от угла пролетаэлектроновв диоде q

= wt(t—времяпролета электронов). В определенных интервалах значений угла пролета

2p

n < q< (2n + 1) (n = 1, 2, ...).

Эта энергияотрицательна, т. е. происходит трансформация кинетической энергии электронов вэнергию высокочастотного поля. В соответствующих диапазонах частот активноесопротивление диода отрицательно.

Однакопоскольку группировка электронов и отбор высокочастотной мощности происходят водном и том же пролетном пространстве при отсутствии в этом пространствезамедленных электромагнитных волн, эффективность такого взаимодействияневелика и абсолютная величина активного сопротивления диода много меньшевеличины его реактивного (емкостного) сопротивления. Поэтому для созданияавтогенератора в СВЧ диапазоне приходится подключать к диоду внешний контур свысокой добротностью и снимать с катода очень большие плотности тока. В связис этим реализация подобных генераторов встретила значительные трудности и онине нашли практического применения.

Междутем существует принципиально простой способ резкого повышения эффективностидиодных генераторов. Он заключается в замене модуляции электронов по скоростимодуляцией по току на входе в диодный промежуток.

Допустим,что вместо термоэмиссионного катода в диоде используется какой-либо типавтоэмиссионногокатода с достаточно резкойзависимостью тока эмиссии от напряженности электрическогополя. В этом случае выходящий из катода поток электронов будет модулирован поплотности с частотой приложенного напряжения.

Активноесопротивление такого диода может принимать отрицательные значения и приотсутствии дополнительной группировки электронов в диодном промежутке. Этохорошо видно на пространственно-временной диаграмме движения электронов в диодес полевой эмиссией, 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 сопротивлениедиода отрицательно и достигает максимальной величины при q»3/2 p(рис. 1.2, а).Дополнительная группировка электронов за счет модуляции по скорости в диодномпромежутке играет при этом второстепенную роль. Как условия возбуждения, таки к. п. д. такого генератора могут быть значительно лучшими, чем у диодныхгенераторов со скоростной модуляцией электронов.

Рис.4а относится к случаю, когда ток эмиссии мгновенноследует за напряженностью электрического поля. Допустим теперь, что покаким-либо причинам ток эмиссии отстает во времени от напряженностиэлектрического поля. Причины такого запаздывания эмиссии могут быть различными.

Рис.1.1. Пространственно-временная диаграммадвижения электронов в диоде с полевой эмиссией:

а) без запаздывания эмиссии;

б) с запаздыванием эмиссии.

Зависимостьактивного сопротивления такого диода от угла пролета электронов без учета электронногопространственного заряда схематически изображена на рис.5б. Видеальном случае КПД такого генератора может достигать больших значений.

Рис.5. Активное сопротивление диода с полевой эмиссией:

а) без запаздывания эмиссии;

б) с запаздыванием эмиссии.

Впредыдущих рассуждениях мы исходили из чисто кинематической модели, пренебрегаявлиянием объемного заряда на группировку электронов в диодном промежутке.Между тем это влияние во многих вариантах диодных генераторов отнюдь не мало.Особенно существенна роль объемного заряда в диодах с полевой эмиссией, вкоторых электронный объемный заряд, снижая напряженность электрического поля укатода, непосредственно влияет на ток эмиссии. По существу электронныйобъемный заряд создает в диоде своеобразный механизм внутренней отрицательнойобратной связи. Если ток эмиссии мгновенно следует за полем, то действие этойотрицательной обратной связи сводится лишь к ограничению протекающего черездиод среднего тока. Однако, если эмиссия инерционна, положение существенноменяется.

Отставаниетока эмиссии от поля эквивалентно введениию в отрицательную обратную связьзапаздывания, что существенно влияет на колебательные свойства системы.Обладая определенными дисперсионными свойствами, такая обратная связь на однихчастотах облегчает условия возбуждения автоколебаний в системе, снижаятребования к добротности внешнего резонансного контура, а на других, напротив,ухудшает эти условия вплоть до полного подавления автоколебаний. Более того,при некоторых условиях эта связь может оказаться достаточной, чтобы в диодевозникли собственные автоколебания, вообще не нуждающиеся во внешнем добротномрезонансном контуре. В этом случае диодный промежуток работает какавтоколебательная система, создавая во внешней активной нагрузке импульсы токас частотой, определяемой временем запаздывания и скоростью «срабатывания»отрицательной обратной связи.

Колебательныйпроцесс в таком генераторе можно схематически представить следующим образом(рис.6).

Допустим,например, что время пролета электронов в диоде t

не зависит отвысокочастотного поля и вдвое превышает время запаздывания эмиссии. Пусть вмомент времени t=0 к диоду приложена разность потенциаловU0,создающаяу катода напряженность поля Е=Е(0), превышающую наDE(0)критическое значениеEnp,прикотором начинается эмиссия электронов.

Рис. 6. Изменение во времени поля у катода Е(0) и токаIЭв диоде сзапаздывающей эмиссией.

Приt=t1=t

3возникает ток IЭ, величинакоторого определяется полем Е(0) исохраняется неизменной в течение времени t3. По мере увеличения объемногозаряда в диодном промежутке поле у катода снижается и, если плотность токаэмиссии достаточно высока, принимает значения, меньшие Uпр. Эмиссияиз катода длится в течение времени, несколько превышающего t3, и затем прекращается. К аноду движется пакет электронов. В момент t2=t+2t3+Dt»3/2tпервые электроны пакета достигают анода, поле у катоданачинает возрастать. К моменту t2=t+2t3+Dt»3/2tвесь пакет электронов выходит из пролетногопространства, поле у катода достигает начальной величины. Затем циклповторяется. Длительность цикла, т. е. период колебаний, составляет, такимобразом, около 2p/w. Добавление поляэлектронного пространственного заряда нарушает описанные выше фазовыесоотношения между током эмиссии и электрическим полем в диодном промежутке, врезультате чего на частотах, ниже некоторого значения, активное сопротивлениедиода становится положительным. Эта так называемая характеристическая частотазависит от запаздывания и крутизны изменения тока эмиссии с полем; она близкак частоте собственных автоколебаний диода.

Изложенныесоображения носят общий характер и полностью применимы не только к вакуумным,но и к диодам других типов —диэлектрическим,полупроводниковым и т. п., с учетом, разумеется, специфики движения носителейзаряда в твердых телах. В частности, эти соображения имеет непосредственноеотношение к механизму работы лавинно-пролетных диодов.

3ПРИНЦИП РАБОТЫ ЛПД

Схематическимеханизм работы р-n ЛПД можно представить следующим образом. Рассмотрим дляопределенности запорный слой обратно смещенного плавного p-nперехода (рис.7).Он представляет собой участок полупроводника, в котором практически отсутствуютподвижные носители заряда, а приложенная к р-nпереходу разность потенциалов компенсируется полем объемногозаряда ионов примесиNnиNp,положительнымв одной части запорного слоя (n-слой) и отрицательным— в другой (p-слой). Этот участокограничен с обеих сторон нейтральными слоями полупроводника. Напряженностьэлектрического поля Е максимальна вплоскости х=0, где объемный зарядионов 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,начинаетсяинтенсивный процесс ударной ионизации атомов кристалла подвижными носителямизаряда, приводящий к лавинному умножению числа носителей и образованию новыхэлектронно-дырочных пар.

Область,где происходит рождение носителей заряда, ограничена более или менее узкимслоем — так называемым слоем умножения,расположенным вблизи технологического перехода, где полемаксимально(рис.7).Образованные в слое умножения электроны и дырки дрейфуют под действиемсильного электрического поля к границе нейтрального полупроводника черезпролетные 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. Схема плавного р-п перехода ЛПД:

а) запирающий слой;

б) распределение ионов примеси;

в) измение электрического поля.

Такимобразом, обратно смещенный р-п переход при напряжении, близком к пробивному,представляет собой диодный промежуток, в котором роль катода играет слойумножения, а роль пролетного пространства— остальнаячасть запорного слоя. Эмиссия такого катода носит ярко выраженный «полевой»характер — ток, выходящий из слояумножения, возрастает или убывает в зависимости от напряженности электрическогополя в этом слое. Лавинная природа тока эмиссии обусловливает егоинерционность — для развития лавины требуетсяопределенное время, так что мгновенное значение электрического поля определяетне саму величину лавинного тока, а лишь скорость его изменения во времени.Поэтому изменение тока не следует мгновенно за изменением электрического поля,а отстает от него по фазе на величину, близкую к p

/2.

Такойр-п переход близок по свойствам к оптимальному варианту полевого диода, вкотором ток эмиссии отстает от поля на четверть периода. Под действием приложенного к р-п переходу переменного напряженияиз слоя умножения выходят «пакеты» носителей заряда, которые сразу попадают втормозящее высокочастотное поле, так что энергия взаимодействия этих носителейс полем отрицательна почти при любой ширине р-п перехода. Отсутствие модуляции скорости носителей вэтом случае лишь улучшает высокочастотные свойства диода.

Поэтомуосновные выводы о свойствах полевого диода с запаздывающей эмиссией, сделанныевыше, применимы и к лавинно-пролетному диоду. Это касается, в частности,соображений о влиянии объемного заряда подвижных носителей на колебательныесвойства генератора на лавинно-пролетном диоде. Попадая в пролетноепространство, основные носители частично нейтрализуют пространственный зарядионов примеси и снижают поле в слое умножения. Этот эффект облегчает условиясамовозбуждения генератора на частотах выше характеристической и препятствуетвозникновению паразитных колебаний на более низких частотах, где активное сопротивлениедиода положительно.

Вместе стем, ЛПД имеет специфические особенности, связанные с лавинной природой тока,из которых принципиальной является одна: сдвиг по фазе между полем и током вслое умножения, вследствие конечной ширины последнего, как правило, превышает p

/2, и слой умножения сам посебе уже обладает отрицательным сопротивлением. В большинстве практическиреализуемых р-п структур этот эффект является второстепенным, однако дляодного класса диодов он играет решающую роль, определяя основные особенности ихвысокочастотных характеристик.

Сдвиг фазмежду током и напряжением на диоде определяется в этом случае инерционностьюпроцесса ударной ионизации и пролетными эффектами во всем запорном слог. Вместеэти эффекты обеспечивают достаточно высокую эффективность взаимодействияносителей тока с высокочастотным электрическим полем, сравнимую с эффективностьювзаимодействия в ЛПД других типов.

Наряду славинно-пролетным могут, очевидно, существовать и другие полупроводниковыедиоды с динамическим отрицательным сопротивлением. Так, например, этимсвойством должен в принципе обладать обратно смещенный р-п переход, в которомпробой связан не с ударной ионизацией, а с эффектом Зинера (туннельнымэффектом). Так как участок, где происходит рождение подвижных носителей тока,в этом случае локализован в тонком слое, где электрическое поле максимально,такой полупроводниковый диод (его можно назвать «туннельно-пролетным диодом»)должен быть, очевидно, аналогичен по своим свойствам, вакуумному диоду с автоэмиссионным катодом. Если возможно пренебречь инерцией туннельного эффекта,то в отличие от лавинно-пролетного диода в диоде Зинера ток и поле у «катода»следует считать синфазными. Как отмечалось выше, и в этом случае в определенныхинтервалах значений угла пролета носителей заряда активное сопротивление р-пперехода может быть отрицательным. Однако отсутствие запаздывания в механизмеобратной связи, создаваемой объемным зарядом подвижных носителей, ухудшаетусловия самовозбуждения колебаний. Поэтому генераторы на диодах Зинера осуществитьтруднее, чем генераторы на лавинно-пролетных диодах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Современнаятехника СВЧ немыслима без применения полупроводниковых диодов.Видеодетектирование, гетеродинное смешение, усиление слабых сигналов, генерациягармоник, коммутация СВЧ мощности – таковы функции, выполняемые в настоящеевремя полупроводниковыми диодами в СВЧ системах. Естественно, что такоемногообразие применений приводит к многообразию требований, предъявляемых кхарактеристикам различных типов диодов. Чтобы удовлетворить этим требованиям,разработчик диодов имеет определенную свободу в выборе полупроводникового материала, из которогодолжны быть 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 связь междуэлектрофизическими параметрами полупроводника и его геометрическими размерами.

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 работы полупроводниковых СВЧ диодов.М., 1965.

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

еще рефераты

Еще работы по радиоэлектронике

Реферат по радиоэлектронике

Расчет характеристик обнаружения при совместном когерентном и некогерентном накоплении

29 Августа 2013

Реферат по радиоэлектронике

Кодовый замок

29 Августа 2013