Арипов Х.К., Кузьмина Г.Н. и др. Микроволновые полупроводниковые приборы - файл mikrovolno_poluprovod_pribori.doc

Арипов Х.К., Кузьмина Г.Н. и др. Микроволновые полупроводниковые приборы
скачать (483.7 kb.)
Доступные файлы (1):
mikrovolno_poluprovod_pribori.doc1409kb.29.05.2003 11:50скачать

mikrovolno_poluprovod_pribori.doc

1   ...   4   5   6   7   8   9   10   11   12

ЛЕКЦИЯ № 7


Лавинно-пролетный диод


  1. Концептуальная диаграмма.

  2. Лавинное умножение носителей.

  3. Пролетный режим работы ЛПД.

  4. Параметры и характеристики, особенности устройства и применения ЛПД.

  5. Контрольные вопросы.


7.1. Концептуальная диаграмма



7.2. Лавинное умножение носителей
Лавинно-пролетный диод (ЛПД)— это полупроводниковый СВЧ-диод, в котором для получения носителей заряда используется лавинное умножение (ударная ионизация) в области электрического перехо­да и взаимодействие этих носителей с переменным полем в пере­ходе в течение времени пролета. Лавинно-пролетные диоды относятся к классу двух-полюсников, обладающих отрицательным сопротивле­нием на зажимах, что позволяет испо-льзовать ЛПД для создания генераторов и усилителей. Отрицательное сопротив­ление ЛПД проявляется только на достаточно высоких частотах и не проявляется в статиче­ском режи-ме. Причиной этого является наличие фазового сдвига между током и напряжением на ЛПД.



Рис. 7.1. Схема ЛПД и распреде­ление напряженности электриче­ского поля:

 — ширина запирающего слоя; — ширина слоя умножения

В иностранной литературе такие диоды часто называют диодами Рида по фамилии ученого, предложившего в 1958 г. структуру типа р—п—iр и принципы работы устройства, однако эта структура была реализована только в 1965 г. Первый ЛПД создан в СССР А. С. Тагером с сотрудниками на основе обнаруженного в 1959 г. эффекта генерации СВЧ-колебаний при лавинном пробое германиевых диодов.

На рис. 7.1 показана схема плав­ного p-n-перехода ЛПД и распреде­ление электрического поля в пере­ходе. На диод подается обратное на­пряжение такой величины, что рабо­чая точка смещается в область лавин­ного умножения (рис.7.2). В p-n-переходе на­чинается процесс ударной ионизации атомов кристаллической решетки под­вижными носителями заряда и обра­зование новых пар электронов и ды­рок. С этим явлением связан резкий рост обратного тока перехода, называемый лавинным пробоем. Для количественной характеристики процесса ударной ионизации вводят ко­эффициенты ионизации ?n и ?p для электронов и дырок — число электронно-дырочных пар, создаваемых на единице пути (1 см) электроном и дыркой соответственно.

Лавинный пробой возникает, в результате ударной ионизации нейтральных атомов в р-n-переходе быстрыми электронами или дырками. В результате генерируются новые пары носителей заряда, которые, двигаясь в электрическом поле перехода, вновь при столк­новении с атомами образуют новые пары носителей и т. д., т. е. но­сители в переходе лавинообразно размножаются. Параметром это­го процесса является коэффициент умножения М, определяемый как отношение числа носителей, выходящих из p-n-перехода, к чис­лу носителей того же типа, входящих в переход. Коэффициент М можно рассчитать по следующей эмпирической формуле:

(7.1)

где Uпр - напряжение пробоя.

Показатель степени для кремния и германия n-типа b = 3; для германия p-типа b=5,5. Величина пробивного напряжения не за­висит от типа носителей и растет с увеличением удельного сопро­тивления полупроводника; у кремния это напряжение выше, чем у германия при тех же значениях удельного сопротивления.

Принято считать, что лавинный пробой на­ступает при таком обратном напряжении на переходе, когда ко­эффициент лавинного умножения обращается в бесконечность. Если начало лавинного умножения вызвано дырками (IP0>>In0), то условие лавинного пробоя будет выглядеть следующим образом:

(7.2)

Условие (7.2) имеет простой физический смысл; для возникновения лавинного пробоя необходимо, чтобы каждый электрон и каждая дырка, вошедшие в переход и возникающие в переходе, создавали в среднем до одной электронно-дырочной паре. Если ?п?р, то носители, имеющие больший коэффициент ионизации, должны создавать при прохождении перехода в среднем более одной пары, чтобы скомпенсировать уменьшение коэффициента ионизации носителей другого типа.

Напряженность электрического поля максимальна на границе между р- и n-областями. Поэтому ударная ионизация происходит лишь в узком слое умножения ?, прилежащем к плоскости границы. Вновь созданные электроны и дырки под действием сильного поля дрейфуют через p- и n- пролетные участки запирающего слоя, располо­женные по обе стороны от слоя умножения. Дырки дрейфуют через p-слой, а электроны через n-слой. При возрастании электрического поля скорость носителей заряда растет линейно. Но уже при на­пряженности поля, вызывающей лавинное умножение носителей >> 105 В/м), скорость носителей заряда становится практически по­стоянной.

Пролетное время носителей заряда пропорционально ширине области пролета  и это объясняет запаз­дывание лавинного тока от напряжения в ЛПД. Сдвиг фазы между изменением напряженности поля и изменением тока при определенной частоте составит ?/2. Дрейфуя через пролетные участки, электроны и дырки частично компенсируют объемный заряд ионов примеси и сни­жают напряженность поля в слое умножения.
7.3. Пролетный режим работы ЛПД
Пролетный режим (IМРАТТ -Avalanche Transit Time — ударная ионизация и пролетное время) работы диода основан на использовании лавинно­го пробоя и эффекта времени пролета носителей в обедненной об­ласти различных полупроводниковых структур. Распределение поля в этой области, определяющее физические процессы в диоде, зависит от типа структуры и закона распределения концентрации примесей в областях структуры. Ниже будет рассмотрена струк­тура типа n+—р—i—p+ (диод Рида) (рис. 7.2, a), в которой области лавинного ум­ножения и дрейфа носителей пространственно разделены. Распределение концентрации примесей в областях структуры по­казано на рис. 7.2,б. Концентрация примеси в крайних областях p+, n+ много больше, чем в р-области, по концентрации носителей i-область близка к собственному полупроводнику.



Рис. 7.2 Структура лавинно-пролетного диода (a) и распределение в нем концентрации примеси (6), электрического поля (в), коэффициента ударной ионизации (г), а также вoльт-aмпepнaя характеристика ЛПД (д)
Максимальная напряженность электрического поля имеет место в области р+-n-пepexoдa (рис. 7.2. в). Электрическое поле резко убывает в n-области и остается практически постоянным в i-cлoe, который полностью обеднен при больших обратных напряжениях. Если обратное напряжение увеличивать, то электрическое поле в переходе превысит значение пробивной напряженности Eпp, при которой коэффициент ударной ионизации ? достигает больших значений (порядка 105-1). поскольку ? сильно зависит от E, то протяженность области ударной ионизации невелика (рис. 7.2, г). В ней происходит лавиннообpaзнoe нарастание количества свободных носителей заряда. Эту область называют областью лавинного умножения. Образующиеся дырки увлекаются внутренним электрическим полем перехода в p+-область, а электроны, попадая в i-cлoй, движутся к n-+области в постоянном электрическом поле. Если напряженность электрического поля в слаболегированной области велика и превышает несколько кB/cм, то скорость электронов остается почти постоянной и равной ?нac = 105 м/с. Происходит так называемое насыщение дрейфовой скорости носи­телей. Следовательно, носители заряда дрейфуют с конечной скоростью за конечный промежуток времени. Это предельное значение дрейфовой скорости называют скоростью насыщения. Обедненную область, в которой происходит движение электронов с постоянной скоростью, называют областью дрейфа. Поскольку при этом дифференциальная подвижность электронов близка к нулю, при движении электронов не происходит уменьшения объемной плотности заряда.

Принцип работы ЛПД поясним с помощью пространственно-временной диаграммы, показанной на рис. 7.3.



Рис. 7.3. Пространственно-временная диаграмма
Предположим, что в слое умножения и дрейфа имеется одина­ковая и достаточно большая напряженность электрического поля, изменяющаяся во времени по синусоидальному закону E(t). При большой амплитуде поля лавинный процесс приводит к образованию короткого сгустка носителей, запаздывающего на четверть периода от максимума поля. Этому сгустку соответствует короткий импульс лавинного тока iл(t) на границе x= между слоями умножения и дрейфа. Далее носи­тели сгустка двигаются в электрическом поле слоя дрейфа, пока не достигнут его границы (х—) при угле пролета ?дp. Пространственно-временная диаграмма для слоя дрейфа изображена на рис. 7.3 прямыми линиями, так как дрейфовая скорость носите­лей постоянна.

Угол пролета при выбранной ширине слоя зависит от часто­ты. Если ?дp, то носители все время пролета находятся в тор­мозящем полупериоде поля и отдают свою энергию полю, вызы­вая увеличение этого поля. При ?дp>? последнюю часть пути в области дрейфа носители летят в ускоряющем полупериоде поля, что ослабляет эффект предыдущего взаимодействия и приводит в целом к снижению энергии, передаваемой носителями полю за все время пролета. Если ?дp—2?, то эффект взаимодействия но­сителей и поля исчезает.

На рис. 7.3. при х— показана зависимость дрейфового тока от времени iдр(t) в виде узкого импульса, повторяющего импульс iл(t). Одновременно изображена кривая наведенного тока iнaв(t). созданного движением короткого сгустка на пути от x= до ?=. В случае короткого сгустка форма кривой наведенного тока близка к прямоугольной. Разложением в ряд Фурье может быть определена первая гармоника iнaв(1) этого тока. В идеальном слу­чае она совпадает по фазе с полем, если ?дp=?.

7.4. Параметры их характеристики, особенности устройства и применения ЛПД
Основными параметрами ЛПД являются:

а) выходная мощность Pвых—мощность генератора на ЛПД в заданном диапазоне частот и напряжения питания. Это важнейший параметр ЛПД. Максимальная полезная мощность генератора при заданном сопротивлении нагрузки зависит от добротности диода и от амплитуды переменного тока и напряже­ния. Максимальное значение выходной мощности различных типов ЛПД колеблется в пределах 10—100 мВт на частоте 7-50 ГГц;

б) пробивное напряжение Uпр — величина напряжения лавинного пробоя перехода. Этот параметр необходим для задания режима работы. Величина напряжения лавинного пробоя ЛПД обычно не превышает 30 В. Но имеются приборы с Unp, достигаю­щим 160 В. СВЧ-генератор на ЛПД обычно работает при напряжении на 0,5—1,5В, превышающем пробивное;

в) номинальный рабочий ток Iном—величина обрат­ного тока ЛПД, при котором обеспечивается выходная мощность генератора. Величина Iном составляет 54-15 мА для различных классов приборов;

г) максимальная емкость p-n-перехода Сmах—мак­симальное значение емкости ЛПД при напряжении, близком к про­бивному;

д) сопротивление растекания rsмаксимальное по­следовательное сопротивление ЛПД в режиме генерации при заданном токе и напряжении. Отечественные приборы имеют rs не более 10 Ом;

е) коэффициент полезного действия лавинно-пролетных дио­дов (сравнительно низок и составляет несколько процентов);

ж) температурный коэффициент мощности ТКМ и частоты ТКЧ — параметры, показывающие изменения мощ­ности и частоты при изменении температуры окружающей среды на 1°С;

з) максимально-допустимый ток Imax— максимальная величина тока, при которой ЛПД работает в течение гарантиро­ванного срока с заданным уровнем надежности. Величина Imax обычно ограничивается мак­симальной температурой пе­рехода Tп mах.

Для изготовления ЛПД используют кремний, германий и арсенид галлия. Требуемую структуру получают методами эпитаксиального наращивания, диф­фузии и ионного легирования. При их изготовлении стремятся по возможности снизить активные потери: утечку тока по поверхно­сти p-n-перехода и сопротивление объема кристалла. Необходимо обес­печить однородность p-n-перехода, в противном случае возможно воз­никновение локальных пробоев и т. д.

На рис.7.4 приведена одна из структур ЛПД диода, изготовленного по планарной технологии. Для устранения пробоя по поверхности создано охранное кольцо n-типа.

Преимуществом ЛПД перед другими генераторами СВЧ-мощности является незначительная суммарная толщина структуры (один пере­ход). Это очень важно, так как ЛПД работает в режиме лавинного пробоя и плотность мощности на переходе достигает больших величин до 105 Вт/см2. Тонкие структуры облег­чают отвод тепла от перехода. Кроме того, для лучшего отвода тепла в ЛПД приме­няют так называемую обратную сборку, кристалл присоединяют к теплоотводу той стороной, где переход расположен на не­большой глубине от поверхности кристалла.

Мощность и КПД генераторов на ЛПД сравнительно невелики, зависят от рабочей частоты и от теплоотвода. Для улучшения теплоотвода в мощных ЛПД в качестве подложки используют алмаз.

ЛПД, работающие в пролетном режиме, используют также для усиления колебаний, однако из-за большого коэффициента шума (20—40 дБ) они не пригодны для входных устройств. Диод является активным двухполюсником, т. е. двухполюсником с отрица­тельным дифференциальным (динамическим) сопротивлением. Поэтому в уси­лителе применяется циркулятор, обеспечивающий разделение входного и выход­ного сигналов. Коэффициент усиления при каскадном вклю­чении достаточно велик (до 30 дБ и более).



Рис. 7.4. Структура кристалла ЛПД
Недостатком ЛПД является очень низкий КПД. Это объясняется тем, что амплитуда колебательного напряже­ния на диоде намного меньше величи­ны постоянного напряжения, приложенного к диоду для обеспече­ния режима лавинного умножения. Низкий КПД ЛПД, кроме того, объясняется зависимостью вольт-амперной характеристики ЛПД от частоты колебаний. На частоте, на которой отрица­тельное сопротивление имеет наибольший модуль, амплитуда переменного напря­жения значительна, но амплитуда тока мала. В результате получается, что отда­ваемая мощность мала.

В настоящее время на частоте 1 ГГц получен КПД до 60% в Si-диодах и до 45% на частоте 2—3 ГГц в Ge-диодах. Однако большие плотности тока, требуемые для возникновения аномального режима, не позволяют осуществить непрерывную генерацию.

ЛПД с рабочей частотой выше 50 ГГц трудно изготовлять из-за очень малых размеров, а ЛПД с частотой ниже 1 ГГц имеют большие размеры, поэтому трудно отводить тепло от перехода.

На рис. 7.5 приведены два вида конструкций лавинно-пролетных диодов в коаксиальном исполнении. Для интегральных полосковых схем разрабатываются бескорпусные ЛПД с полосковыми выво­дами.



Рис. 7.5. Конструкция ЛПД: а — германиевого; б — кремние­вого; 1— метал-лическое основа­ние; 2 — керамическая втулка; 3— кристалл; 4 — соединитель­ный электрод; 5—ниппель
В пролетном режиме ЛПД отрицательное сопротивление существует в ши­рокой области рабочих частот. Поэтому частоту генерации в генераторах на ЛПД можно изменять в пределах более октавы механической перестройкой ко­лебательной системы. Широко исполь-зуют также электрическую перестройку частоты, включая в колебательную систему СВЧ варикап или ферритовые эле­менты. В первом случае диапазон перестройки обычно невелик, а во втором — достигает 10%. Температурный коэффициент частоты генератора зависит от из­менения как параметров диода, так и колебательной системы. Для одноконтур­ного генератора ТКЧ= ± 10-41/°C, но может быть снижен в результате принятия специальных мер.

Высокий уровень шума ЛПД позволяет использовать их для создания ге­нераторов шума СВЧ диапазона. Эти генераторы очень просты, имеют большую спектральную плотность мощности шума, низкую потребляемую мощность, ма­лые массу и габариты, т. е. выгодно отличаются от электровакуумных генера­торов шума.

Усилители на ЛПД вследствие значительного коэффициента шума (20— 30 дБ) не используются во входных усилителях. По коэффициенту преобразования амплитудной модуляции в фазовую (АМ/ФМ) усилители на ЛПД срав­нимы с лампами бегущей волны.

В заключение следует отметить существование аномального режима ЛПД— режима с захваченной плазмой или ТRАРРАТ — режима (сокращение от слов ТРАрреd Plasma Avalanche Triggered Transit — захваченная плазма, пробег области лавинного умножения). В электронно-дырочном переходе в этом режи­ме создаются условия для движения фронта ла-винного умножения со скоростью, в несколько раз большей максимальной скорости носите-лей (скорости насыщения). Поэтому в переходе очень быстро образуется электронно-дыроч-ная плазма, что приводит к резкому снижению напряжения на переходе, а следовательно, к уменьшению скорости электронов и дырок в плазме (за­хваченная плазма). Увеличение вре-мени пролета носителей в переходе вызывает снижение частоты генерации в несколько раз по сравнению с пролетным режимом работы ЛПД. Однако достоинством ЛПД с захваченной плазмой яв­ляется снижение потребляемой мощности, вследствие понижения напряжения

Сведения о мощности и КПД в перечисленных режимах работы приведены в табл.7.1 Преимущества режима с захваченной плазмой проявляются на более низких частотах.

Таблица 7.1

Режим работы


Частота, ГГц


Выходная мощность. Вт

КПД, %


Материал


в непрерывном режиме

в импульсном режиме

Пролетный

2—4



40

20

Si

8,2—12,4

2,7

10

10—11

Si

100

0,16



7

Si

4—8

4

10

5—17

GaAs

8,2—12,4

4



5—17

GаАs

1—2

10

500

60

Si

С захваченной плаз­мой

12,4—18



30

5

Si


В пролетном режиме работы ЛПД отрицательное сопротивление существу­ет в широкой полосе рабочих частот. Следовательно, можно изменять частоту генерации в больших пределах механической перестройкой ко­лебательной системы. Широко применяют также электрические способы перестройки частоты. Один из способов состоит в изменении собственной частоты колебательной системы (резонатора) с помощью варакторного СВЧ-диода. Диапазон перестройки в зависимости от схемы включения варакторного диода доходит до 3—5%. Применяют для перестройки также ферритовые элементы, помещенные в резонатор ГЛПД, при этом диапазон перестройки может до­стигать 10%. Для перестройки частоты в небольших пределах используют за­висимость частоты от постоянного тока (электронное смещение частоты). Кру­тизна электронного смещения частоты в сантиметровом диапазоне — несколько мегагерц на миллиампер, а диапазон перестройки — несколько десятых долей процента.
5. Контрольные вопросы:


  1. Условие лавинного пробоя и его физический смысл.

  2. Какую область называют областью лавинного умножения, областью дрейфа?

  3. Какие режимы работы ЛПД вы знаете? Опишите каждый из них.

  4. Основные параметры ЛПД.

  5. Перечислите преимущества и недостатки ЛПД.
1   ...   4   5   6   7   8   9   10   11   12


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации