Лавинно-пролётный диод

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Томский государственный университет

Радиотехнический факультет

Реферат

Лавинно-пролётный диод

Томск 2015

Введение

Лавинно-пролётный диод - это полупроводниковый диод, работающий в режиме лавинного размножения носителей заряда при обратном смещении электрического перехода и предназначенный для сверхвысокочастотных колебаний [1].

Работа ЛПД основана на явлениях лавинного пробоя обеднённой области обратносмещённого диода и последующего дрейфа носителей в полупроводнике со скоростью, близкой к скорости насыщения [2]. В СВЧ диапазоне при лавинном умножении носителей и их пролёте через полупроводниковую структуру возникает отрицательное сопротивление [3]. Его появление связано с временным запаздыванием этих двух процессов, приводящим к фазовому сдвигу между током и напряжением. "Лавинное запаздывание" появляется за счёт конечного времени нарастания лавинного тока, а "пролётное запаздывание" - за счёт конечного времени прохождения носителями области дрейфа. Сопротивление диода отрицательно на некоторой частоте, если сумма этих времён равна полупериоду колебания.

В иностранной литературе такой режим работы называют Impatt (IMpact Avalanche Transit Time), а диод часто называют диодом Рида по фамилии ученого, предложившего в 1958г. структуру и принцип работы устройства. Рид предложил конструкцию высокочастотного полупроводникового диода, в котором область лавинного умножения расположена на одном конце относительно высокоомного слоя, служащего дрейфовым пролётным пространством для генерируемых носителей заряда (p+-n-i-n+ или n+-p-i-p+). Отрицательное сопротивление, обусловленное лавинно-пролётным эффектом, также может возникать в обычном диоде с p-n переходом или контакте металл-полупроводник с произвольным профилем распределения примеси.

Впервые генерацию когерентных СВЧ-колебаний в обратносмещённом диоде наблюдал советский учёный А.С. Тагер с сотрудниками в 1959 г. ЛПД является одним из самых мощных твердотельных источников СВЧ-излучения [3]. Однако следует упомянуть трудности, с которыми сталкиваются при работе ЛПД во внешней цепи: 1) высокий уровень шума; 2) необходимость тщательного расчёта цепей (во избежание расстройки или даже перегорания диода, поскольку реактивность большая и сильно зависит от амплитуды осцилляций).

1. Принцип работы лавинно-пролётного диода

Генерация электромагнитных СВЧ-колебаний может возникать в диодах с различной структурой. В качестве примера рассмотрим процессы, происходящие в структуре p+-n-i-n+ при обратном напряжении, имеющем постоянную и переменную составляющие, в которой области лавинного умножения и дрейфа пространственно разделены. Электрическое поле резко убывает в n-области и остаётся практически постоянным в i-слое, полностью обеднённом при больших обратных напряжениях [2].

Если обратное напряжение увеличивать, то электрическое поле в переходе превысит значение пробивной напряженности Eпроб, при которой коэффициент ударной ионизации ? достигает больших значений (порядка 10-5 см-1). Так как ? сильно зависит от E, то протяженность области ударной ионизации невелика. В ней происходит лавинообразное нарастание количества свободных носителей заряда. Эту область называют областью лавинного умножения. Пары электрон-дырка генерируемые в узкой части p-n перехода, где напряжённость электрического поля достаточна для ударной ионизации, разделяются полем. Образующиеся дырки увлекаются электрическим полем перехода в p+-область, а электроны, попадая в i-слой, движутся к n+-области в постоянном электрическом поле.

Рисунок 1 - Структура ЛПД (а), распределение напряженности электрического поля по структуре (б) и положение рабочей точки (постоянного смещения) на ВАХ (в) [1].

Обеднённую область, в которой происходит движение электронов с постоянной скоростью, называют областью дрейфа. Ток, вызванный движением новых носителей заряда, проходит до тех пор, пока эти носители не выйдут из p-n перехода [1]. За время пролёта носителей заряда через p-n переход (в нашем примере - электронов) напряжение на диоде может успеть уменьшиться, если частота переменной составляющей будет большой. Таким образом, из-за конечного времени пролёта носителей появляется фазовый сдвиг между проходящим через диод током и приложенным к этому диоду переменным напряжением высокой частоты.

Фазовый сдвиг между током и напряжением определяется не только временем пролета, но и инерционностью процесса развития лавины при ударной ионизации. Действительно, момент времени приобретения носителем заряда достаточной ионизации энергии, вероятнее всего не совпадёт с моментом столкновения этого носителя с одним из атомов полупроводника, то есть с моментом ионизации. Кроме того для приобретения добавочной энергии также необходимо некоторое время.

Допустим, что время пролёта вместе со временем, определяемым инерционностью ударной ионизации, равно половине периода колебаний некоторой частоты переменного напряжения. В этом случае переменный ток через диод будет отставать на полпериода от вызывающего его переменного напряжения. Нарастание напряжения всё время будет сопровождаться уменьшением тока, а уменьшение напряжения, наоборот, ростом тока [1]. Это свидетельствует о том, что для данной частоты переменного напряжения в течение всего периода колебаний выполняется условие отрицательного дифференциального сопротивления.

Рисунок 2 - Зависимости напряжений и токов, иллюстрирующие появление отрицательного дифференциального сопротивления ЛПД: (а) - при сдвиге фаз 180? (на больших частотах), (б) - при сдвиге фаз 90? (на меньших частотах) [1].

При понижении частоты переменного напряжения (при увеличении периода колебаний) ток будет отставать от напряжения на угол, меньший 180?, так как время пролёта и инерционность ударной ионизации остаются теми же. Когда с понижением частоты переменного напряжения фазовый сдвиг между током и напряжением будет составлять четверть периода, условия отрицательного дифференциального сопротивления будут выполняться на протяжении только половины периода, чередуясь через каждые четверть периода с условиями положительного дифференциального сопротивления. В этом предельном случае в среднем за период ЛПД не будет обладать отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Аналогично с повышением частоты переменного напряжения отрицательное дифференциальное сопротивление пропадёт при фазовом сдвиге между током и напряжением, достигающем 270?. Таким образом, ЛПД обладают отрицательным дифференциальным сопротивлением только для СВЧ-колебаний.

Всякий прибор с отрицательным дифференциальным сопротивлением может быть использован для генерации и усиления электромагнитных колебаний. ЛПД используют для генерации СВЧ-колебаний большой мощности [1]. При этом не обязательно подавать на ЛПД переменное напряжение необходимой частоты. Что мы мысленно сделали при рассмотрении принципа действия прибора. ЛПД вместе с резонансной камерой, в которую его обычно помещают, способен выделить из импульсов, возникающих во время подачи постоянного смещения и усилить колебания определённой частоты.

2. Линейная теория лавинно-пролётного диода

Будем рассматривать линейную теорию ЛПД, предполагая, что используется полупроводниковый материал с одинаковыми свойствами электронов и дырок, то есть их коэффициенты ударной ионизации ? и скорости насыщения vs равны. Исходными являются уравнения сохранения носителей тока [4]

Далее плотность тока проводимости равна

На рисунке 3 показаны распределение концентрации примесей и профиль электрического поля для структуры, к которой мы намерены применить нашу теорию. Поскольку коэффициент ударной ионизации ? весьма сильно зависит от электрического поля, можно предположить, что вся ионизация эффективно сосредоточена в тонком слое умножения, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3 - Распределение концентрации примесей и профиль электрического поля в ЛПД [4].

В слое умножения можно пренебречь зависимостью плотности тока проводимости от координаты х. Тогда из (1) и (2) легко получить основное уравнение Рида:

где ?a = ja/vs - время пролёта носителей тока через слой умножения.

Далее мы будем изучать небольшие периодические колебания с частотой ? около постоянной составляющей и поэтому напишем несколько уравнений:

где индекс "0" обозначает постоянную составляющую, J и E являются малыми гармоническими возмущениями соответственно плотности тока проводимости и электрического поля, а Е0 - среднее значение электрического поля в слое умножения. Отметим также, что для стационарного случая должно иметь место следующее соотношение:

Тогда уравнение (3) в линейном приближении примет вид

Из (6) следует, что процесс ударной ионизации приводит к сдвигу фаз между током проводимости и электрическим полем, равным 90°. Для получения плотности полного тока, протекающего через слой умножения, следует к уравнению (6) прибавить плотность тока смещения

Уравнения (6) и (7) могут быть представлены при помощи эквивалентной схемы слоя умножения, где

A - площадь прибора.

Рисунок 4 - Эквивалентная схема слоя умножения [4].

Резонансная частота параллельного колебательного контура, показанного на рисунке 4, равна

Более строгие расчёты показывают, что предположение о независимости плотности тока проводимости от координаты в пределах слоя умножения приводит к небольшой ошибке в уравнении (9) [4]. Точная теория приводит к той же формуле, но с заменой в числителе коэффициента 2 на 3. На частоте ? = ?a наблюдается острый резонанс; диод в окрестности этой частоты приобретает отрицательное сопротивление, а характер реактивного сопротивления изменяется от емкостного до индуктивного.

3. Шумы лавинно-пролётного диода

Вообще говоря, ударная ионизация сопровождается большими шумами. Поскольку они определяют минимальный уровень СВЧ-сигнала [3], который может быть усилен, необходимо хорошо понимать, как шумы лавины влияют на шумовые характеристики прибора. Шумы в генераторах или усилителях при высоких уровнях сигнала могут быть также значительны.

Для усиления сигнала ЛПД можно поместить в резонатор, связанный с передающей линией, которая в свою очередь связна с входным и выходным трактами с помощью циркулятора.

Рисунок 5 - Конфигурация, связанного через циркулятор, усилителя Хайнса [5].

Введём две характеристики: коэффициент шума (10) и шумовое отношение (11).

где in2 - среднеквадратичный шумовой ток, индуцируемый в контуре; RL - сопротивление нагрузки; G - коэффициент усиления мощности усилителя; k - постоянная Больцмана; T0 = 290; B - эффективная ширина полосы шумов.

Отметим, что коэффициент шума и шумовое отношение зависят от среднеквадратичного шумового тока (или напряжения). Коэффициент шума в усилителе с большим коэффициентом усиления равен [3]

где ? - показатель степени в зависимости от ? ~ E?; ?A и VA - время пролёта области умножения и падение напряжения на ней соответственно, ?r - резонансная частота. Данное соотношение получено в приближении тонкой области умножения и равенства коэффициентов ионизации электронов и дырок. Подстановка практических значений приведёт к уровню шума порядка 40 дБ.

Для упрощения анализа пренебрегали влиянием RS в выражении для F. Это вводит небольшую погрешность, поскольку основной прирост к шуму даёт лавина. Данное выше выражение для F относительно просто и выводится непосредственно [5].

При возрастании амплитуды высокочастотного напряжения в генераторе или усилителе в диодах наблюдается резкое возрастание уровня шумов. Это возрастание обусловлено главным образом двумя различными физическими эффектами [4]. При большом высокочастотном напряжении важную роль начинают играть высшие гармоники напряжения и параметрические эффекты, которые приводят к росту шумов. Кроме того, флуктуации в процессе ударной ионизации относительно возрастают, когда мгновенное значение напряжения сначала падает и становится значительно меньше пробивного и затем вновь превышает пробивное напряжение, т. е. тем самым умножение начинается от очень низкого уровня тока.

Таблица 1 - Шумовые отношения для ЛПД [3].

Шумы в режимах усиления и генерации даны для идеальной цепи без потерь при частотах, соответствующих максимальной эффективности генерации без гармонической настройки. Шумовое отношение для ЛПД из арсенида галлия значительно ниже, чем для кремниевых диодов [3]. Основная причина низкого уровня шумов в GaAs-ЛПД состоит в том, что при заданной напряженности электрического поля коэффициенты ионизации электронов и дырок в арсениде галлия одинаковы, в то время как в кремнии они существенно различаются.

4. Конструкции лавинно-пролётного диода

Диодная структура, изображённая на рисунке 6а, получена с помощью двойной эпитаксии или диффузии в эпитаксиальный слой. Для снижения последовательного сопротивления используют n+-подложку. Толщину эпитаксиального слоя следует контролировать, чтобы при пробое отсутствовала область несмыкания [3]. При работе на высоких частотах даже подложка n+-типа должна быть достаточно тонкой (порядка нескольких микрометров), чтобы снизить потери и влияние неоднородностей из-за скин-эффекта.

лавинный пролётный диод сигнал

Рисунок 6 - Структуры некоторых ЛПД [3].

На рисунке 6б показан ЛПД с барьером Шоттки, который представляет собой выпрямляющий контакт металл-полупроводник. Не смотря на то, что распределения электрического поля в структурах, показанных на рисунке 6а и 6б идентичны, диод с барьером Шоттки обладает рядом преимуществ [3]. Во-первых, напряжённость электрического поля максимальна на металлургической границе раздела и поэтому выделяющееся тепло легко отводится через металлический контакт. Диод может быть изготовлен в виде усечённого конуса (рисунок 6б) с целью снижения влияния краевых эффектов, связанных с большой напряжённостью электрического поля, и получения однородной области лавинного пробоя. Во-вторых, диод с барьером Шоттки можно создать при относительно низких температурах, при которых не происходит нарушения высококачественной структуры эпитаксиального слоя. Однако такие диоды обладают существенным недостатком. Дело в том, что в присутствии электронов и дырок высоких энергий атомы полупроводника могут химически воздействовать на металл, что приводит к ухудшению характеристик контакта.

Барьер Шоттки можно также использовать в модифицированном диоде Рида (рисунок 6в). Поскольку в барьере Шоттки главную роль играют основные носители, эффект накопления неосновных носителей, который имеет место в обычных структурах Рида, здесь не существенен [3], а к.п.д. может быть даже выше. Однако при изготовлении модифицированных диодов Рида требуется более строгий контроль профиля примеси, чтобы получить прибор с определённой частотной характеристикой. Метод самоограниченного анодного травления используется для уменьшения толщины высоколегированного слоя (в диоде с двухслойной базой) и низколегированного слоя (в диоде с трёхслойной базой) с целью получения определённого напряжения пробоя, то есть рабочей частоты.

На рисунке 6г показана структура диода, созданного с помощью метода ионной имплантации. К достоинствам этого метода следует отнести возможность изготовления структур с двумя дрейфовыми областями, в которых выходная мощность и импеданс, отнесённые к единичной площади, приблизительно в два раза больше [3]. Поэтому ожидается, что такие структуры будут генерировать большие выходные мощности с более высоким к.п.д. ЛПД могут также быть изготовлены методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Поскольку при этом можно контролировать уровень легирования и толщину вплоть до атомных размеров, предполагается, что данный метод окажется весьма полезным при создании ЛПД, работающих в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн.

Изготовленный диод обычно монтируют в СВЧ-корпус. Диод крепится диффузионной областью или металлическим электродом на медный или алмазный теплоотвод для обеспечения эффективного охлаждения перехода во время работы.

Заключение

Современная техника СВЧ немыслима без применения полупроводниковых диодов. Видеодетектирование, гетеродинное смешение, усиление слабых сигналов, генерация гармоник, коммутация СВЧ мощности - таковы функции, выполняемые в настоящее время полупроводниковыми диодами в СВЧ системах.

Естественно, что такое многообразие применений приводит к многообразию требований, предъявляемых к характеристикам различных типов диодов.

Чтобы удовлетворить этим требованиям, разработчик диодов имеет определенную свободу в выборе полупроводникового материала, из которого должны быть изготовлены диоды, его удельного сопротивления, технологии изготовления диода, его геометрии. Причем набор оптимальных электрофизических параметров полупроводникового материала и его геометрических размеров может быть сделан либо на основе эмпирического характера, либо на основе теории, дающей связь между электрофизическими параметрами полупроводника и его геометрическими размерами.

Использованная литература

1. Пасынков В.В. Полупроводниковые приборы / В.В. Пасынков, Л.К. Чиркин. - М.: Высш. шк., 1987. - 479 с.

2. Березин В.М. Электронные приборы СВЧ / В.М. Березин, Буряк В.С, Гутцайт Э.М., Марин В.П. - М.: Высш. шк., 1985. - 296 с.

3. Зи С. Физика полупроводниковых приборов: в 2-х книгах. Кн. 1. Пер. с англ. / М.: Мир, 1984. - 456 с.

4. Полупроводниковые приборы в схемах СВЧ / под ред. М. Хауэса, Д. Моргана. - М.: Мир, 1979 г. - 444 с.

5. СВЧ полупроводниковые приборы и их применение / под ред. Г. Уотсона. - М.: Мир, 1972 г. - 662 с.

Размещено на Allbest.ru