Основи напівпровідникової електроніки

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Частина 1. Напівпровідникові прилади НВЧ

1. Основи напівпровідникової електроніки

1.1 Загальні питання

По електричних властивостях напівпровідники займають проміжне положення між провідниками і діелектриками. Питома електрична провідність провідників - (10⁷…10⁵) сим/м, діелектриків - <10^-10 сим/м, напівпровідників - (10⁴…10^-10) сим/м. На електричну провідність напівпровідників сильний вплив надають температура і концентрація домішок. З збільшенням температури їх провідність збільшується.

Для створення напівпровідникових приладів найчастіше використовують кристали германію, кремнію, арсеніду галію і селену, які відносяться до IV групи періодичної системи елементів.

Кожний з чотирьох валентних електронів атома утворить з сусідніми атомами загальні електронні пари (ковалентний зв'язок). При температурі 0⁰ К всі валентні електрони кристала напівпровідника пов'язані ковалентно і тому вільних електронів немає, тобто напівпровідник поводиться як діелектрик.

При підвищенні температури деякі електрони набувають значну кінетичну енергію, достатню для порушення ковалентного зв'язку. Такі електрони покидають свої атоми і перетворюються у вільні. Вони називаються електронами провідності. Якщо в напівпровіднику діє електричне поле, то вільні електрони рухаються направлено, створюючи струм. Електропровідність напівпровідника, зумовлена направленим рухом вільних електронів, називається електронною провідністю або провідністю типу n.

Мінімальна величина енергії W, яку необхідно повідомити валентному електрону, для того, щоб відірвати його від атома і зробити рухомим, залежить від структури решітки. Наприклад, у германію W=0,72 еВ, у кремнію - 1,12 еВ, у арсеніда галію - 1,41 еВ.

У квантовій механіці доводиться, що енергія електронів, що переміщаються по кристалу, лежить в деякому діапазоні значень, інакше кажучи, електрони займають цілу зону енергетичних рівнів, що називається зоною провідності. Енергетичні стани валентних електронів також утворять зону, що називається валентною. Між максимальним рівнем валентної зони і мінімальним рівнем зони провідності лежить область енергетичних станів, в якій електрони не можуть знаходитися; це так звана заборонена зона

В атомі, що втратив електрон, утвориться вільне місце - дірка. На це місце з сусіднього атома може перейти валентний електрон, на місці якого виникає дірка.

Таким чином, дірка подібно електрону буде блукати по кристалу. При наявності зовнішнього електричного поля виникає направлений руху дірок, протилежне напряму руху електронів. Електропровідність напівпровідника, виникаюча за рахунок направленого руху дірок, називається дірочною провідністю, або провідністю типу р. Напівпровідник, що має у вузлах решітки тільки власні атоми, прийнято називати власним напівпровідником; все величини, що відносяться до нього, означають індексом i.

Для виготовлення напівпровідникових приладів необхідно, щоб в напівпровіднику один з типів провідності значно переважав над іншим. Для цього в хімічно чистий напівпровідник вводять домішку елементи V (донорна) або III (акцепторна) групи періодичної системи.

У напівпровіднику з донорною домішкою значно переважає провідність типу n і основними носіями струму є електрони, а дірки - неосновними. У напівпровіднику з акцепторною домішкою, навпаки, значно переважає провідність типу р. У такому напівпровіднику основними носіями є дірки, неосновними - електрони.

На енергетичних діаграмах напівпровідників донорні і акцепторні домішки утворюють локальні енергетичні рівні, лежачі в забороненій зоні. Рівні донорів знаходяться біля зони провідності на відстані W_n 0,05 еВ, а рівні акцепторів - у валентній зоні на відстані W_p 0,05 еВ.

У власному напівпровіднику число дірок в кристалі решітки дорівнює числу вільних електронів р_i = n_i . У германію, наприклад, n_i =2,5?10¹³ /см ³, в той час як число атомів в кубічному сантиметрі досягає 4,410²², тобто один вільний електрон доводиться, приблизно, на мільярд атомів речовини. У кремнії n_i = 1,4?10¹⁰ /см ³ , так як W_кр > W_гер.

Швидкість генерації носіїв, тобто кількість що звільняються в одиницю часу електронно-дірочних пар дорівнює швидкості рекомбінації, тобто кількості зникаючих в одиницю часу електронно-дірочних пар. Ця умова визначає рівноважну концентрацію носіїв у власному напівпровіднику.

У домішкових напівпровідниках число основних носіїв більше, а неосновних менше, приблизно, в тисячу разів у порівнянні з кількістю електронно-дірочних пар у власному напівпровіднику.

Робота багатьох напівпровідникових приладів заснована на явищах, виникаючих при зіткненні областей, що мають різні типи провідніості: електронну і дірочну. Межа між частинами напівпровідника р- і n- типів називається електронно-дірочним переходом, або p-n переходом. При зіткненні напівпровідників з різними типами провідності електрони внаслідок дифузії почнуть переходити в р-область, а дірки - в n-область, внаслідок чого примежовий шар n-області заряджається позитивно, а примежовий шар р-області - негативно.

Між областями виникає електричне поле, яке є бар'єром для основних носіїв струму, завдяки чому в p-n переході утвориться область зі зниженою концентрацією зарядів. Електричне поле в p-n переході називають потенційним бар'єром, а p-n перехід - замикаючим шаром.

Якщо напрям зовнішнього електричного поля протилежний напряму поля p-n переходу (пряме напруження - "+" на р-області, "-" на n-області), те потенційний бар'єр зменшується, зростає концентрація зарядів в p-n переході, ширина і, отже, опір переходу зменшується. При зміні полярності джерела (зворотне напруження) зовнішнє електричне поле співпадає з напрямом поля p-n переходу, ширина і опір переходу зростає. Отже, p-n перехід володіє вентильними властивостями.

При відсутності зовнішнього електричного поля через p-n перехід протікають два струми: струм дифузії і струм дрейфу. Струм дифузії викликається направленим переміщенням основних носіїв зарядів під дією різниці концентрації носіїв, а струм дрейфу - направленим переміщенням неосновних носіїв зарядів під дією сил електричного поля, що створюється контактною різницею потенціалів. Струм дифузії J_диф і струм дрейфу J_др через p-n перехід протікає назустріч один одному і взаємно компенсується. Сумарний струм через p-n перехід рівний нулю.

Введення носіїв заряду через знижений під дією прямого напруження потенційний бар'єр в область, де вони є неосновними, називається інжекцією носіїв заряду.

Виведення неосновних носіїв через p-n перехід прискорюючим електричним полем, створеним зворотним напруженням, називають екстракцією.

1.2 Напівпровідникові діоди і транзистори НВЧ

Напівпровідникові прилади НВЧ поділяються на діоди і транзистори.

По типу структури і технологічних особливостях виготовлення діодів їх поділяють на діоди: з p-n переходом; з контактом метал-напівпровідник (діоди з бар'єром Шотки); зі структурою метал-окисел-напівпровідник (МОН-діоди) або метал-диелектрик- напівпровідник (МДП-діоди); зі структурою типу p-i-n; діоди з накопиченням заряду (ДНЗ); тунельний і обернені діоди; лавино-прольотні діоди (ЛПД); прилади з об'ємною нестійкістю заряду (діоди Ганна).

Застосування різних типів діодів пов'язане з використанням особливостей: уніполярної провідності, нелінійного опору (варистори), нелінійної ємності (варікапи), керованого импеданса (p-i-n діод), негативного диференціального опору (тунельний діод, лавино-прольотний діод, діод Ганна) і інші. Ці діоди використовуються для детектування, перетворення частоти, модуляції, перемикання ланцюгів, генерації коливань і посилення.

У зв'язку з успіхами напівпровідникової технології широке застосування знайшли біполярні НВЧ-транзистори, все більш перспективними стають польові НВЧ-транзистори на арсеніді галію. Польові транзистори на арсеніді галію із затвором на основі бар'єра Шотки мають високу максимальну частоту генерації, хороші шумові параметри, високу лінійність амплітудної характеристики, широку смугу частот. У діапазоні (4…20) ГГц вони є кращими по шумових і підсилювальних характеристиках, чим інші прилади того ж призначення; в 3-х сантиметровому діапазоні отримана потужність 10 Вт.

1.2.1 Діоди з p-n переходом

Частотні властивості p-n переходу визначаються інерційністю процесів нагромадження і розсмоктування неосновних носіїв заряду. Тривалість цих процесів залежить від часу життя неосновних носіїв, і при зменшенні цього часу частотні властивості діодів поліпшуються. Зменшення часу життя неосновних носіїв досягається введенням спеціальних домішок, енергетичні рівні яких розташовані поблизу середини забороненої зони ("глибокі рівні") і збільшують імовірність рекомбінації. Наприклад, введення золота в кремній n-типу знижує час життя дірок до (1…5)?10^-9 с.

Швидкодія діодів з p-n переходом залежить також від закону розподілу домішок (донорів і акцепторів) по структурі.

Більш високочастотними є діоди з бар'єром Шотки (ДБШ). У цих діодах використовується контакт метал - напівпровідник.

Якщо робота виходу електронів з напівпровідника n-типу менше роботи виходу з металу, то руху, що почався з напівпровідника в метал призведе до створення контактної різниці потенціалів. У стані рівноваги потік електронів (основних носіїв напівпровідника) в метал урівноважується потоком електронів з металу в напівпровідник. На відміну від p-n переходу, тут урівноважуються потоки основних носіїв кожної області, тому кажуть, що ДБШ працюють на основних носіях заряду, а впливом неосновних носіїв (дірок) можна нехтувати. У ДБШ відсутні накопичення неосновних носіїв заряду в областях діода при прямому напруженні і розсмоктуванні цього заряду при зміні знака напруження. Це поліпшує швидкодію діода, тобто частотні і імпульсні властивості. Час відновлення зворотного опору з ДБШ при використанні кремнію і золота - приблизно 10 нс і менше.

Шуми ДБШ визначаються дробовим шумом і тепловим шумом послідовного опору областей і контактів. Внаслідок малого впливу неосновних носіїв на процеси в ДБШ внесок генераційно-рекомбінаційних шумів у дробовий шум виявляється незначним. Крім того, зменшується послідовний опір областей діода, оскільки одна з областей є металом. Тому рівень шумів ДБШ виявляється меншим, ніж в аналогічних по застосуванню крапкових діодів на p-n переходах. Застосовуються ДБШ як детекторні і змішувальні діоди аж до міліметрового і субміліметрового діапазонів хвиль. Виготовляються вони з арсеніду галію. Для зменшення ємності діаметр контакту зменшується до 1 мкм і менше. Змішувачі на ДБШ використовуються до 300 ГГц. На частоті 170 ГГц коефіцієнт шуму ДБШ К_ш=(4,8…5,5) дБ, а охолоджування до 20⁰ К знижує його приблизно вдвічі.

Діоди з бар'єром Шотки можуть бути використані для множення і перетворення частот. Множення може бути засноване як на нелінійній залежності опору діода від напруження (нелінійний опір), так і на нелінійній залежності ємності від напруження (нелінійна ємністі). Ефективність множення при використанні ДБШ на основі арсеніду галію приблизно в 3 рази вище, ніж у кремнієвих діодів з притискним контактом при однакових з ним вхідній частоті (3…4) ГГц і кратности множення (три). Особливо істотні переваги ДБШ при утворенні слабих сигналів. Ці діоди використовуються також і як швидкодіючі переключальні діоди.

1.2.2 р-i-n діод

У цьому діоді між сильно легованими областями з дірочною і електронною провідністю знаходиться i-область з концентрацією носіїв, близькою до концентрації р_i і n_i у власному напівпровіднику

Концентрація носіїв в р - області р_p і n_p , а в n - області n_n і р_n . При подачі прямого напруження в i-область одночасно інжектуються дірки з р-області і електрони з n-області. Опір i-області і всього діода стає малим. При зворотному напруженні дірки і електрони екстрагуються з i - області в р- і n-області відповідно. Зменшення концентрації носіїв в i-області призводить до збільшення опору i-області і всього діода. Диференціальний опір p-i-n діода при зміні знака напруження змінюється на декілька порядків, в той час як ємність діода, що визначається в основному шириною i-області, змінюється трохи. Слаба залежність ємності від напруження і мала величина ємності дозволили широко використати p-i-n діоди в НВЧ-діапазоні. Вони використовуються для створення перемикаючих ланцюгів, змінних і ступінчастих атенюаторів, амплітудних модуляторів, плавних і ступінчастих фазообертачів і інших НВЧ пристроїв.

У могутніх p-i-n діодах для НВЧ діапазону ширина i-області робиться великою (0,1…0,5) мм, щоб вони могли працювати при великих амплітудах напруження (понад 1 кВ) і імпульсній потужності 10 кВт і більше.

1.2.3 Тунельні діоди

Тунельним діодом називають напівпровідниковий діод на основі виродженого напівпровідника, в якому тунельний ефект призводить до появи на вольт-амперній характеристиці при прямому напруженні дільниці з негативним диференціальним опором. Тунельний діод був винайдений в 1958 році японським вченим Єсаки. Корпуси тунельних діодів (ТД) розраховані на включення цих приладів в об'ємні коливальні системи або ж в коаксіальні, мікрополосковні хвилеводні тракти. Для виготовлення ТД використовуються германій, арсенід галію або антимонід індія з дуже великою концентрацією домішки, на 2…3 порядка вище, ніж в звичайних діодах. Такі напівпровідники називаються виродженими, оскільки по провідності близькі до металів.

Завдяки цьому ширина p-n переходу ТД становить (0,01…0,02) мкм (в 50…100 раз вужче, ніж у звичайному переході), і напруженість поля дуже висока (приблизно, 10⁸ В/м), що створює необхідні умови для руху носіїв через потенційний бар'єр за рахунок тунельного ефекту.

Як відомо, при формуванні p-n переходу утвориться потенційний бар'єр. Щоб електрон міг подолати цей бар'єр, йому необхідно повідомити енергію, рівну величині потенційного бар'єра. Однак, завдяки наявності в електрона хвильових властивостей, він, маючи енергію, меншу висоти потенційного бар'єра, може при визначених умовах пройти "крізь" бар'єр, не змінюючи своєї енергії.

Такими умовами є такі:

напруженість поля на переході повинна бути порядка 10⁸ В/м, що можливо при дуже вузьких p-n переходах (0,01…0,02) мкм;

по обидві сторони переходу повинні існувати изомірні енергетичні рівні - вільні і зайняті. Електрон переходить з зайнятого рівня однієї зони на вільний рівень іншої зони без зміни своєї енергії.

Висока концентрація домішок в прилеглих до p-n переходу областях призводить не тільки до звуження його ширини (до 0,01мкм), але і до розщеплення домішкових енергетичних рівнів з утворенням домішкових енергетичних зон, які примикають до зони провідності в n-області і до валентної зони в р-області. При цьому дно зони в n-області розташовується нижче верхньої межі валентної зони р-області. Таким образом, валентна зона і зона провідності перекриваються.

При відсутності зовнішнього напруження (U_пр=0) існують умови для тунельного проходження електронів зліва направо, і навпаки, і через перехід протікають два зустрічних потоки електронів, що врівноважують один одного. Зліва направо переходять валентні електрони на вільні рівні в зоні провідності. Справа наліво переходять електрони провідності на вільні рівні у валентній зоні. Результуючий тунельний струм рівний нулю

При підвищенні прямого напруження відбувається зменшення висоти потенційного бар'єра p-n переходу або зміщення енергетичних зон (зона провідності n-області зміститься вгору по відношенню до валентної зоні р-області). У цьому випадку вільні енергетичні рівні р-області (зайняті дірками) є на одній висоті по енергетичній діаграмі або при одних і тих же значеннях з енергетичними рівнями n-області, зайнятими електронами. Тому буде відбуватися переважне тунелирування електронів з n-області в р-область. При прямому напруженні на діоді, коли вільні енергетичні рівні валентної і домишкової зон р-області будуть на одній висоті з енергетичними рівнями зони провідності і домишкової зони n-області, зайнятими електронами, тунельний струм буде максимальним. При подальшому збільшенні прямого напруження на діоді тунельний струм через діод буде зменшуватись, оскільки через зміщення енергетичних зон буде зменшуватися кількість електронів, здатні тунелювати з n-області в р-область.

Тунельний струм через діод виявиться рівним нулю при дея-кому ще більшому прямому напруженні, коли через відносне зміщення енергетичних зон n- і р-областей для вільних електронів n-області не буде вільних енергетичних рівнів в р-області. Однак при цьому через діод буде проходити прямий струм, зумовлений переходом носіїв заряду через той, що знизився потен-ційний бар'єр p-n переходу, тобто струм дифузії (як в звичайних випрямних діодах), який швидко росте з підвищенням прямого напруження. При зворотному напруженні на ТД енергетична зона напівпровідника n-типу опускається вниз, а напівпровідника р-типу підіймається вгору. Перекриття збільшується, що призводить до зростання зворотного тунельного струму, оскільки виникають умови для вільного тунелирування валентних електронів р-області в зону провідності n-області. Величина зворотного струму залежить від величини зворотного напруження, із збільшенням якого енергетичні зони n- і р-області зміщаються сильніше. Одностороння провідність p-n переходу при тунельному ефекті повністю відсутня.

Таким чином на вольт-амперній характеристиці ТД можна виділити дві гілки тунельну (висхідну і низхідну) і дифузну гілки. На тунельній дільниці при прямому напруженні на ТД через p-n перехід, крім тунельного струму, протікає і дифузний струм I_диф, що створюється переміщенням електронів і дірок. Однак у вироджених напівпровідниках він на декілька порядків менше струму в звичайному p-n переході. Це пояснюється дуже малою концентрацією неосновних носіїв із-за збільшення концентрації домішок. При напруженні U_пр U_в повний струм через p-n перехід ТД визначається тільки дифузним струмом.

Основна особливість вольт-амперної характеристики тунельного діода полягає в тому, що в інтервалі від U_п до U_в із зростанням напруження струм падає. Отже, на цій дільниці p-n перехід надає струму деякий негативний опір, названий диференціальним або динамічним

.

Зменшення струму із зростанням напруження еквівалентне зсуву фази між вказаними величинами на 180⁰. Тому потужність сигналу, дорівнює добутку струму на напруження, буде мати негативний знак. Це показує, що негативний опір не споживає потужності сигналу, а віддає його у зовнішній ланцюг. За допомогою негативного опору можна скомпенсувати втрати, що вносяться в схему позитивним опором, і, таким чином, в залежності від поставленої задачі здійснити посилення, генерування або перетворення електричних сигналів. На цьому явищі заснована дія ТД, які використовуються для створення підсилювачів, генераторів НВЧ коливань, а також різних швидкодіючих імпульсних пристроїв.

1.2.4 Параметри ТД

Як параметри ТД використовуються напруження і струми, характеризуючі особливі точки його вольт-амперної характеристики, а також ємність, негативного диференціальний опір діода С_д ,г_д:

піковий струм I_п - прямий струм в точці максимуму вольт-амперної характеристики (I_п=0,…-0,0 ...мА);

напруження U_п - пряме напруження, відповідне піковому струму (U_п =40…150 мВ);

струм западини I_в - прямий струм у точці мінімуму вольт-амперної характеристики;

напруження западини (U_в =250…500 мВ);

відношення струмів I_п /I_в; для ТД з арсеніду галію I_п /I_в =10, для ТД з германію I_п /I_в =3…6;

напруження розчину U_р - пряме напруження на другій висхідній гілці при струмі, рівному піковому;

ємність діода С_д (від одиниць до десятків пФ), що обмежує частотний діапазон роботи ТД;

негативний диференційний опір.

Крім того, до параметрів діодів відносяться і граничні параметри I_{пр. макс}; I_{обр.макс;} U_{пр.макс}.

1.2.5 Достоїнство тунельних діодів

1. Висока швидкодія, що визначається тим, що тунельний перехід носіїв заряду відбувається зі швидкістю, істотно більшою, чим швидкості дифузії і дрейфу, характерні для звичайних діодів. Це забезпечує здатність ТД посилювати, генерувати і перетворювати НВЧ коливання до частот декількох сотень ГГц, що відповідає міліметровому діапазону хвиль.

2. Підсилювачі на ТД володіють дуже високим коефіцієнтом посилення і порівняно низьким рівнем власних шумів.

3. Мізерна потужність живлення (в сотні разів менше, ніж у транзисторів, включених в аналогічну схему).

4. Можуть працювати в більш широкому інтервалі робочих температур (до +200…600⁰ С), ніж звичайні діоди, і при більш високих рівнях радіації. Це пояснюється тим, що тунельний струм практично не залежить від температури і рівня радіації.

5. Дуже малі габаритні розміри і маса.

1.2.6 Недоліки і застосування тунельних діодів

Основним недоліком тунельних діодів є мала вихідна (корисна) потужність, оскільки їх робоча дільниця на вольт-амперній характеристиці розташований в діапазоні значно низьких напружень (десяті частки вольта), ніж в інших напівпровідникових приладах. ТД крім того вимагають для роботи високостабільних джерел живильних напружень.

Через малу потужність генератори на ТД останнім часом витісняються генераторами на діодах Ганна і лавино-прольотних діодах, і області застосування ТД будуть, мабуть, обмежені малошумними підсилювачами НВЧ і швидкодіючими імпульсними схемами.

Різновидом ТД є звернені діоди, які володіють тунельним ефектом тільки при зворотному їх включенні.

Для використання ТД на НВЧ вживаються заходи до зменшення ємкості переходу до 0,1…0,3 нГн і ємкості корпусу до 0,1…0,4 пФ.

Генератори НВЧ на ТД в сантиметровому діапазоні мають вихідну потужність декілька мілліват. У міліметровому діапазоні - десяток мікроват. Позначення: германієві ТД - ГИ 302А, ГИ 302Г; ТД з арсеніда галію - АИ 301А, АИ 301Г.

1.2.7 Біполярні і польові НВЧ транзистори

Для посилення коливань НВЧ все ширше використовуються транзистори. Для підвищення робочої частоти біполярних транзисторів постійно вишукуються способи зменшення часу прольоту носіїв заряду між емітером і колектором, зменшення ємності колекторного переходу і вихідного опору транзистора. При цьому, як правило, необхідно зменшувати габарити транзисторного кристала і одночасно поліпшувати тепловідвід. Спеціальні корпуси для НВЧ транзисторів дозволяють значно зменшити паразитные реактивність токовводов. Найкращі результати досягаються при монтажі транзисторного кристала безпосередньо в смугову лінію. Для зменшення часу прольоту застосовують матеріали з високою рухливістю носіїв зарядів, наприклад, арсенід галію.

Підсилювачі на малошумливих біполярних транзисторах конкурують з малошумливами ЛБХ і перевершують їх по шумових властивостях, габаритах, масі і довговічності.

Вихідна потужність могутніх біполярних транзисторів при переході від 1 до 4 ГГц падає від 35…40 до 5 Вт. Коефіцієнти поси-лення в цьому діапазоні становить 10…5 дБ.

Застосування в транзисторних НВЧ генераторах варикапів або феритових елементів для електричної перебудови частоти дозволяє замінювати ними лампи зворотної хвилі. Генератори з варикапами володіють великою швидкістю але малою лінійністю перебудови (приблизно +10 %). Якщо в якості фериту використовується залізо-ітриевий гранат (ЖІГ), то лінійність перебудови висока (приблизно +0,3 %), але швидкість перебудови мала. Діапазон електричної перебудови частоти транзисторних НВЧ генераторів досягає октави.

У останні роки зросла роль польових транзисторів в НВЧ діапазоні в порівнянні з біполярними транзисторами в зв'язку з розробкою польових транзисторів з бар'єром Шотки на арсеніді галію. Пристрій такого транзистора показаний на рис. 5.5. Затвор представляє собою бар'єр Шотки, виготовлений на епітаксіальній плівці з арсеніду галію n-типу. Плівка вирощується на півізолюючій підкладці з того же матеріалу. Затвор, розташований між джерелом і стоком, має звичайно конфігурацію замкненого кільця або квадрата. Характерні розміри: ширина затвора 0,2…2 мм, довжина затвора 0,5…2 мкм, товщина епітаксіальної плівки 0,15-0,5 мкм. Для отримання омічних контактів джерела і стоку використовуються сплави на основі золота і срібла з відповідними легуючими добав-ками. Бар'єр Шотки отримують нанесенням металів (платина, хром, нікель, молібден і інш.) або сплавів.

Різке поліпшення частотних властивостей польових транзисторів сталося завдяки застосуванню арсеніду галію з високою рухливістю електронів, зменшенню довжини затвора до 1 мкм і використанню більш тонких і більше за високолегированних эпітаксіальних плівок арсеніду галію.

Найбільше застосування польові транзистори на GaAs з бар'єром Шотки знайшли в малошумних НВЧ підсилювачах. У діапазоні 4…20 ГГц вони є кращими по шумових і підсилювальних характеристиках, чим інші прилади того ж призначення. У трьохсантиметровому діапазоні хвиль потужність польових транзисторів становить 10 Вт.

1.3 Лавино-прольотні діоди

ЛПД називаються напівпровідникові діоди, працюючі в режимі лавиного розмноження носіїв заряду при зворотному зміщенні електричного переходу і призначені для генерування і посилення НВЧ коливань. Вони виконуються з германію, кремнію або арсеніду галію. Уперше ЛПД був створений в 1959 році групою радянських вчених під керівництвом А.С.Тагера.

У даному випадку інтерес представляє ії зворотна гілка, що відповідає електричному пробою, яка показує, що при U₀<U_пр ток в ланцюгу практично відсутній, а при подальшому навіть невеликому збільшенні U₀ різко зростає.

Концентрація рухомих носіїв в зворотно зміщеному p-n переході вельми мала. Напруженість електричного поля максимальна в центрі області p-n переходу. При збільшенні прикладеного до діода зворотного напруження напруженість поля зростає.

Якщо поле в переході досягне деякого критичного значення Е=Е_пр, виникне лавинний пробій p-n переходу: число рухомих носіїв в процесі ударної іонізації атомів напівпровідника лавиноподібно множиться. Лавинний пробій існує при напруженості поля порядку 10⁵…10⁶ В/см. Така висока напруженість поля виникає, передусім, в центрі p-n переходу, де і відбувається процес лавинного множення рухомих носіїв. Вказана область називається шаром множення.

Товщина шару менше товщини p-n переходу. Носії заряду, множення, що утворилося в шарі, потім дрейфують в полі p-n переходу, причому електрони рухаються через n-область, а дірки-через р-область.

Розглянемо явища в p-n переході, коли на постійну складову зміщення U₀, близького до критичного, накладається високочастотне змінне напруження U_~. У течії негативних напівперіодів в ланцюгу протікає імпульсний струм, так як при цьому U_д = U₀+U_~ > U_пр, і в p-n переході виникає лавино-наростаючий процес утворення вільних зарядів (приблизно так само, як і при іонізації газів).

При позитивної півхвилі змінного напруження, коли U₀+U_~ > U_пр лавиного пробою припиняється, і струм різко зменшується. У наступний період зміни напруження, коли U_д < U_пр утворюєтся нова "група" носіїв заряду. Таким чином, через діод протікає струм, що має форму короткочасних імпульсів, прямуючих з частотою НВЧ коливань в резонаторі (U_~).

Внаслідок інерційності процесів в напівпровідниках, тобто кінцевого часу утворення лавини і пробігу (дрейфу) носіїв через p-n перехід, ця лавина досягає максимуму з деяким запізненням t_з по відношенню до ії негативної півхвилі, що викликала змінне напруження.

Частоту настройки резонатора (частоту напруження U_~) і пара-метри діода підбирають таким чином, щоб фазовий зсув між першою гармоникою струму діода J_д1 і змінним напруженням на діоді U_~ був рівний 180⁰, що відповідає часу запізнення t_з =Т/2 (Т-період НВЧ коливань). На дільниці від t_пр+Т/2 до t_пр+3T/4 із збільшенням напруження на діоді струм зменшується (показано стрілками) і, отже, на цій дільниці виявляється негативний диференційний опір

< 0.

Якщо знизити або підвищити частоту сигналу U_~, то струм буде відставати на кут, менший або більший, ніж 180⁰, і при деякому значенні частоти ефект негативного диференціального опору може не спостерігатися. Загалом, якщо за початок відліку прийняти t_пр, негативний опір виявляється при зміні часу запізнення в межах Т/4<t_з<3T/4. Для кожного типу ЛПД існує діапазон частот, в межах якого він володіє негативним опором, що дозволяє використати ЛПД в якості підсилювача або генератора НВЧ коливань.

ЛПД створюються на широких електричних переходах (ширина замикаючого шару більше довжини вільного пробігу носіїв), час руху носіїв в яких порівняно з періодом робочих НВЧ коливань. Вони можуть мати різну напівпровідникову структуру: р⁺-n-n⁺, р⁺-i-n⁺, р⁺-n-i-n⁺ (діоди Ріда) і інш. На відміну від тунельного діода негативний опір ЛПД виявляється тільки в динамічному режимі, при якому діод вміщують в об'ємний резонатор (коливальну систему), настроєний на певну частоту, і задають йому режим лавиного пробою. Тому на статичній вольт-амперній характеристиці немає дільниць з негативним опором.

1.4 Напівпровідникові прилади з об'ємною нестійкістю (діоди Ганна)

Діодом Ганна називається напівпровідниковий діод, дія якого заснована на появі негативного диференціального (динамічного) опору під впливом сильного електричного поля і який призначений для генерації і посилення НВЧ коливань. У 1963 році американським вченим Ганном було виявлене явище генерування електромагнітних НВЧ коливань в кристалі арсеніду галію під дією сильного електричного поля. Це явище згодом отримало назву ефекту Ганна. Діод Ганна являє собою однорідний напівпровідниковий кристал з двома омічними контактами. Електрод, на який подається позитивне напруження живлення, називається анодом, а інший - катодом.

Розглянемо особливості структури зони провідності арсеніду галію. У загальному випадку зона провідності не є однорідною і ії можна представити як суму підзон (долин, нижньої і верхньої). Причому властивості окремих підзон, як показує квантова теорія, неоднакові. У одних підзонах (в нижній долині) електрон володіє більшою рухливістю, в інших (у верхній долині) підзонах, відповідним більш високим рівням енергії, меншою рухливістю, оскільки ефективна маса електрона стає в декілька разів більшою. А це означає, що провідність напівпровідника визначається тим, в які підзоні зосереджені електрони (адже чим більше рухливість електронів, тим більше провідність речовини).

Під рухливістю розуміємо коефіцієнт пропорціональності між середньою дрейфовою швидкістю електрона V_др і напруженість поля Е, тобто V_др =E. Цей коефіцієнт характеризує "легкість", з якою електрон рухається в заданій зоні провідності.

При кімнатній температурі у відсутності зовнішніх полів електрони знаходяться на дні зони провідності (тобто в нижній підзоні - долині з великою рухливістю) і тому у вказаних умовах провідність арсеніду галію порівняно висока. Однак, якщо до напівпровідника прикласти постійне напруження, то електрони, придбаваючи в цьому зовнішньому полі кінетичну енергію, будуть переходити в наступну, високорозташовану підзону з малою рухливістю часток (у верхню долину). При великій напруженості поля більшість електронів може виявитися у верхній підзоні. А це означає, що при сильних полях провідність кристала може помітно поменшати.

Ефект Ганна спостерігається до теперішнього часу в більш ніж 20 напівпровідникових з'єднаннях, однак для виготовлення діодів Ганна найбільш широко використовується арсенід галію n-типу.

Особливість ефекту Ганна, що виявляється в звичайних умовах, є те, що підвищення опору (зменшення провідності) під дією сильного електричного поля відбувається в даний момент не у всьому напівпровіднику, а лише в якійсь його дільниці. Практично такі дільниці завжди розташовуються у електродів, оскільки в результаті вплавлення контактів ці області напівпровідника виявляються найбільш неоднорідними. Технологічним шляхом при виготовленні діодів в процесі легування кристалів створюється неоднорідність з підвищеним опором в області катода. Інших неоднорідностей не повинно бути. Відбувається перерозподіл напруження в кристалі. На дільниці з підвищеним опором напруження, а отже, і напруженість електричного поля Е збільшуються, що відповідно зменшує поле в іншій частині напівпровідника. Підвищена напруженість поля сприяє в цьому перетині більш інтенсивному переходу електронів з нижньої долини у верхню, що призводить до ще більшого збільшення опору (через зменшення рухливості електронів) і зростанню поля. Поле, що зросло ще більш активізує процеси переходів електронів на більш високі енергетичні рівні. У результаті весь процес збільшення опору і напруженості поля зосереджується тільки в цьому перетині.

Швидкість електронів в напівпровіднику в напрямі від катода до анода виявляється неоднаковою. Електрони вказаного перетину (домена), володіючи малою рухливістю, переміщаються у бік анода повільніше, чим електрони іншої частини кристала. Тому праворуч від домена утвориться область, збіднена електронами (позитивний об'ємний заряд), а зліва - область, де електрони скупчуються.

Напруженість поля в домені буде наростати доти, поки швид-кості носіїв всередині домена (V_др = E) і поза ним порівняються. У результаті домен, зберігаючи свою форму і розміри, переміщається в сторону анода, поки не досягне його і руйнуватиметься, після чого процес повторюється.

В домені встановлюється напруженість поля на рівні Е_д, що значно перевищує середнє значення Е₀ в криста-лі, а в іншій частині кристала напруженість електричного поля при цьому зменшується до рівня Е_ост.

Процес утворення домена дуже короткочасний, його опір різко зростає, тому можна вважати, що струм практично вмить переходить від максимального значення I_макс до мінімального I_мин. Поки домен рухається до анода, величина струму залишається незмінною - на рівні I_мин. Досягши анода, домен починає руйнуватися, а струм зростає. Як тільки домен зеуйнується і струм досягне максимального значення, утвориться новий домен, і струм вмить спадає до мінімуму. Далі всі процеси повторюються знов. Таким чином, в процесі утворення і руху доменів у зовнішньому ланцюгу буде протікати імпульсний струм з частотою, рівною частоті утворення домені.

Тому при довжині кристала L=10 мкм час проходження домена (період коливання) буде дорівнювати

а частота коливань 10 ГГц. Дрейфова швидкість руху домена до анода дорівнювати тут 10⁵ м/с.

Діоди Ганна, в основному, використовуються для створення генераторів НВЧ коливань сантиметрового і міліметрового діапазонів. Діоди можуть включатися в смугову, коаксіальну лінії, хвилеводний тракт, коаксіальні і хвилеводні об'ємні резонатори, що є коли-вальною системою генератора. Індуктивності L і ємності С розв'язують ланцюги живлення постійним струмом і НВЧ. L_к і С_к - індуктивність і ємність коливальної системи.

1.5 Параметричні діоди

Як керована реактивність в напівпровідникових параметричних підсилювачах застосовуються напівпровідникові діоди, ємність запорного шару якого залежить від величини прикладеного до діоду напруження.

Для того щоб зрозуміти механізм виникнення ємності, що залежить від напруження, розглянемо процеси, виникаючі на межі розділення напівпровідників з р- і n-провідністю. На зразку з електронною провідністю типу n кружка з плюсами означають нерухомі позитивні заряди, зумовлені донорними домішками. Мінуси відповідають вільним електронам. На зразку типу р кружка з мінусами зображають негативні заряди, виникаючі внаслідок акцепторних домішок, а плюси - позитивно заряджені дірки. Оскільки в зразку n-типу число позитивних зарядів дорівнює числу електронів, а в зразку р-типу число негативних зарядів дорівнює числу дірок, обидва напівпровідники є електрично нейтральними.

Якщо ці два зразки привести в зіткнення, утворивши перехід типу p-n, то завдяки дифузії електрони будуть переміщатися з області більшої щільності електронів (з напівпровідника типу n) в області меншої щільності, тобто зліва направо. Подібним же образом дірки стануть дифундувати через перехід зправа наліво. Через втрату електронів, продифундувавших із зразка типу n, він отримає позитивний заряд. Втрата дірок зразком типу р спричинить появу на ньому негативного заряду.

Суцільною межею зображена крива потенціалу в p-n - переході, створюючого так званий "потенційний бар'єр". Внаслідок цієї різниці потенціалів в переході виникає електричне поле, напрям якого протидіє дифузії дірок і електронів через перехід. При певній величині цього поля в p-n - переході наступає динамічна рівновага, зумовлена рекомбінацією рухомих носіїв заряду одного знаку з проникаючими завдяки дифузії з протилежної сторони носіями заряду протилежного знака. При цьому у вузькій області, розташованій по обидві сторони від переходу, утвориться так званий "запірний" або "збіднений шар", вільний від рухомих носіїв зарядів.

Суцільною лінією показано розподіл концентрації електронів і дірок в p-n - переході при умові, що до переходу не прикладено зовнішнього напруження. Такий шар практично можна вважати непроводячою або діелектричною областю, що межує з кожної сторони з областями, які містять рухомі носії зарядів і тому можуть вважатися провідними. Таким чином, можна вважати, що в p-n - переході утвориться конденсатор. У цьому конденсаторі роль діелектрика грає запірний шар, в якому майже немає рухомих носіїв заряду; роль електродів грають прилеглі до запорного шару р- і n-області, що володіють електропровідністю. Ємність отриманого конденсатора визначається товщиною запірної області.

Подивимося тепер, що станеться, якщо до переходу прикласти напруження плюсом до напівпровідника типу р, а мінусом до напівпровідника типу n. Під дією поля, що викликається цим напруженням, дірки в напівпровіднику типу р будуть пересуватися до p-n - переходу. У напівпровіднику типу n поле, що утворилося також спричинить переміщення електронів у напрямі до переходу. На самому переході буде відбуватися рекомбінація електронів і дірок, внаслідок чого через p-n - перехід почне проходити струм, направлений від напівпровідника типу р до напівпровідника типу n. Для струму такого напряму перехід представляє малий опір. Такий напрям струму і напруження називається прямим . При цьому ширина запірного шару зменшуєтся, що еквівалентно зменшенню відстані між обкладанням конденсатора, тому ємність p-n - переходу зростає. Точками показані розподіл потенціалу для цього випадку, а також концентрація дірок і електронів в областях, прилеглих до p-n - переходу. З рисунків слідує, що у випадку, що розглядається, потенційний бар'єр знижується, а запорний шар вужчає.

При зміні знаку прикладеного напруження електрони і дірки в обох напівпровідниках будуть спрямовуватися під дією поля в сторону, протилежну p-n - переходу. Внаслідок цього відбуваються розширення запірного шару і зменшення ємності переходу. Зі зростанням прикладеного напруження збільшується товщина запірного шару, а концентрація рухомих зарядів в ньому зменшуєтся, внаслідок чого зростає опір запірного шару. Це призводить до значного зменшення струму через перехід. Розглянутий напрям струму і напруження називають зворотнім.

У розглянутих процесах істотне те, що p-n - перехід еквівалентний конденсатору, ємність якого залежить від величини прикладеного напруження, що дає можливість застосовувати напівпровідникові діоди як змінні ємності в параметричних підсилювачах.

Приведена крива залежності ємності p-n-переходу діода з різкою зміною концентрації домішок від прикладеного напруження. З рисунка виходить, що ця залежність має нелінійний характер [для діодів з плавним розподілом домішок ємність зворотно пропорційна кореню кубічному з прикладеного напруження, а для діодів з різким переходом (зварних) - зворотно пропорційна кореню квадратному з прикладеного напруження]. У такому конденсаторі заряд також пов'язаний нелінійною залежністю з напруженням на його електродах.

Залежність ємності напівпровідникового діода від прикладеного напруження має вигляд (для діода з різкою зміною концентрації домішок):

, (5.1)

де С_o - ємність діода в робочій точці;

U_н - амплітуда змінного напруження, прикладеного до діода

(у разі параметричного підсилювача - амплітуда напруження

генератора накачки);

U_к - контактна різниця потенціалів;

U_см- постійне напруження зміщення;

- частота змінного напруження.

При

,

що завжди має місце в параметричних підсилювачах, співвідношення (5.1) може бути представлено у вигляді:

(5.1а)

Тут mС_o=С(t) - змінна частина ємності переходу, але не синусоїдальна, вона змінюється за рахунок напруження генератора накачка. Глибина модуляції ємності

m =C/С_o (5.2)

Глибина модуляції ємності характеризує міру зміни ємності під впливом напруження генератора накачки і є важливим параметром, що істотно впливає на ряд характеристик параметричного підсилювача.

Абсолютно очевидно, що максимальне значення ємності діода визначається виразом

С_макс = С_o +C,

і відповідно С_мин = С_o -С. З урахуванням цього співвідношення (5.2) можна представити у вигляді:



С(t) зображає змінну нелінейную ємність переходу. Ця ємність залежить від конструкції діода, а також від прикладеного напруження зміщення. У діодів, призначених для роботи в ПУ на НВЧ, ємність переходу має величину порядку 0,2…2 пФ.

У параметричних підсилювачах напівпровідникові діоди звичайно працюють з невеликим негативним зміщенням порядку одиниць вольт. Зміщення підбирають таким, щоб результуюче напруження на переході, рівне сумі постійного напруження зміщення і змінного напруження генератора накачки, залишалося негативним. При роботі в області позитивних напружень через p-n - перехід починає протікати прямий струм, істотно погіршуючий підсилювальні властивості і шумовие характеристики діода.

Опір R_s , включене послідовно з ємністю, являє собою повний опір об'єму напівпровідникового матеріалу і змінюється у різних діодів в межах від 0,5 до 5 Ом.

Помітимо, що основним джерелом шуму в ПУ є теплові шуми опору R_s, тому найбільш перспективним для роботи в ПУ є діоди з малими значеннями R_s. У сучасних діодах величини L_в коливаються від 0,2 до 2 мГн, а С_к від 0,1 до 0,5 пФ.

Величиною, що характеризує можливість використання діода для роботи в підсилювачі, є критична частота, що визначається співвідношенням:

.

Для отримання достатнього посилення і задовільних шумових характеристик ПУ необхідно дотримання нерівності

f_кр ? (2 ч 4) f_раб, (5.3)

де f_раб - частота, на якій відбувається робота параметричного підсилювача.

Звідси виходить, що для підвищення частотної межі, а также поліпшення характеристик ПУ необхідно мати діоди з високим значенням критичної частоти, що еквівалентно вимозі створення діодів з малими значеннями ємності і послідовного опору. Значення критичної частоти напівпровідникових діодів мають порядок 20…200 ГГц, що забезпечує задовільну роботу параметричних підсилювачів в сантиметровому і міліметровому діапазонах.

1.6 Питання для самоперевірки

1 Як класифікуються НВЧ діоди по типу структури і технологічним особливостям виготовлення?

2 Якими особливостями володіють діоди НВЧ на основі p-n переходу?

3 Викласти принцип роботи, параметри і застосування діодів з бар'єром Шотки.

4 Розказати про пристрій, роботу, застосування p-i-n діодів.

5 Які умови тунельного переходу електронів в p-n переходах?

6 Пояснити вигляд вольт-амперної характеристики тунельного діода.

7 Розказати про достоїнства, недоліки і застосування тунельних діодів.

8 Зобразити еквівалентну схему варикапа. Де використовуються варикапи?

9 Які особливості біполярних і польових НВЧ транзисторів?

10 Доказати про пристрій і основні фізичні процеси, що відбуваються в лавино-прольотному діоді, схеми конструкцій генератора і підсилювача на ЛПД.

11 Розказати про пристрій діодів Ганна і особливості енергетичної діаграми арсеніду галію.

12 Які фізичні процеси відбуваються в двухдолінних напівпровідниках? Як формується домен сильного поля?

13 Викласти режими роботи діодів Ганна.

14 Зобразити схему конструкції генератора на діоді Ганна.

15 Розказати про основні параметри і застосуванні приладу Ганна. Як працює параметричний підсилювач?

16 Зобразити схему конструкції параметричного підсилювача. Розказати про параметри, характеристики, застосування.

2. Генератори і підсилювачі на напівпровідникових приладах НВЧ

У діапазонах НВЧ знайшли, в основному, застосування підсилювачив на лампах біжучої хвилі, транзисторах і регенеративних підсилювачах.

Принцип роботи регенеративних підсилювачів заснований на частковій компенсації втрат сигналів в коливальних системах, що досягається за рахунок використання внутрішніх зворотних зв'язків. Процес посилення в таких підсилювачах простіше всього описується при використанні "негативних" опорів (провідності), що вносяться в

коливальні системи.

До них відносяться параметричні, квантові підсилювачі, а також підсилювачі на тунельних діодах.

2.1 Параметри і характеристики генераторів (ГЛПД) і підсилювачів (ПЛПД) на ЛПД в прольотном режимі

Найпростіша схема ГЛПД показана на рис. 6.1. Схема містить коаксіальний резонатор 1, що перебудовується з допомогою поршня 2 (плунжера), і ЛПД, вміщеного між центральним провідником резонатора і його торцем (ЛПД знаходиться в пучности напруження).

Найпростішим варіантом ГЛПД є підсилювач відбивного типу (рис. 6.2). Джерело сигналу і навантаження включені в два плеча хвилеводного циркулятора. До третього плеча приєднана коливальна система з ЛПД. Посилення сигналу відбувається внаслідок його взаємодії з коливальною системою, що має негативну добротність і може розглядатися як надходження в навантаження через циркулятор відображеного посиленого сигналу. Підсилювальний режим забезпечується при струмі менше пускового. Навпаки, генерування можливо при струме, більшому пускового.

У безперервному режимі потужність ГЛПД в трьохсантиметровому діапазоні становить 1…3,5 Вт при ККД до 20 %, а в двохсантиметровому - 1…2,5 Вт при ККД до 17 %. В імпульсному режимі при 3 см отримана потужність від 15 до 50 Вт і ККД 10 %; на частотах 33…36 ГГц відповідно 5 Вт і 7 %, а в діапазоні 93…96 ГГц - 1 Вт і 5 %.

Частоту генерування в генераторах на ЛПД можна змінювати в межах октави механічною перебудовою коливальної системи. Широко використовують також електричну перебудову частоти, включаючи в коливальну систему варикап або феритові елементи. У першому випадку діапазон перебудови невеликий, а у другому - досягає 10 %.

Рівень шумів в ЛПД в основному визначається флуктуаціями лавиного струму, що виходить з шару множення. Мінімальний коефіцієнт шуму підсилювачів на ЛПД складає біля 20 дБ.

Високий рівень шуму ЛПД дозволяє використати їх для створення генераторів шуму НВЧ діапазону. Ці генератори дуже прості, мають велику спектральну щільність потужності шуму, низьку споживану потужність, малі масу і габарити, тобто вигідно відрізняються від электровакуумних генераторів шуму.

Підсилювачі на ЛПД внаслідок значного коефіцієнта шуму не використовуються як підсилювачі вхідних сигналів.

2.1.1 Режим роботи ЛПД із захопленою плазмою

У цьому режимі роботи, відкритому в 1967 році, отримані високі значення електронного ККД (більше за 50 %), але, однак, на частотах в декілька разів менше прольотної частоти.

Дослідження показали, що цей режим роботи виникає при великей щільності струму в ЛПД, коли необхідно враховувати вплив об'ємного заряду дрейфуючих в переході носіїв на величину і розподіл електричного поля в ньому. Цей вплив виявляється в утворенні електронно-дірочної плазми з великою концентрацією носіїв, що призводить до різкого зниження напруження на переході, а отже, до зменшення швидкості електронів і дірок в плазмі (захоплена плазма). Збільшення часу прольоту носіїв в переході спричиняє зниження частоти генерації в декілька разів в порівнянні з прольотним режимом роботи ЛПД. Однак, достоїнством ЛПД із захопленою плазмою є зниження споживаної потужності, внаслідок пониження напруження на аноді після виникнення плазми; ККД в цих приладах збільшується (30…50) %. В імпульсному режимі на частоті 3,2 ГГц отримана потужність 150 Вт і ККД 21 %, а на частоті 1,1 ГГц при п'яти послідовно включених діодах - 1,2 кВт і ККД біля 26 %. У безперервному режимі роботи потужність ЛПД із захопленою плазмою не перевищує (5…10) Вт.

...