Принцип действия лавинно-пролетного диода

Структура ЛПД, предложенная Ридом, изображена на рис. 6.2 [7, 14]. Там же дано распределение напряженности электрического поля при рабочем смещении U ₀ (сплошная линия). Максимум кривой соответствует напряженности пробоя ℇ_пр, выше которой проявляется эффект лавинного размножения носителей заряда. Концентрация легирующей примеси подобрана таким образом, что во всей активной области структуры протяженностью w напряженность поля превышает ℇ_кр, и среднюю дрейфовую скорость электронов можно считать равной насыщенной скорости v_s . Таким образом, ЛПД относится к приборам, работающим на «горячих» носителях заряда, для которых средняя скорость движения в рабочем режиме значительно превышает среднюю тепловую скорость в условиях термодинамического равновесия.

Допустим, что помимо постоянного смещения к диоду приложено небольшое переменное напряжение, и при максимальном общем напряжении распределение напряженности электрического поля в структуре соответствует штриховой кривой. Вблизи координаты x = 0 , где ℇ > ℇ_пр, начнется процесс лавинного размножения носителей заряда, ограниченный во времени положительным полупериодом переменного напряжения (совпадающего по направлению с напряжением постоянного смещения). Концентрация электронов и дырок (и определяемый ею конвекционный ток в данном сечении) будет нарастать с некоторой постоянной времени, которая определяется процессом разгона носителей заряда до скорости, необходимой для ионизации новой электронно-дырочной пары. После изменения полярности переменного напряжения условие лавинного размножения снимается, и концентрация носителей заряда в сечении x = 0 будет снижаться из-за их вытягивания сильным электрическим полем. Рекомбинацией носителей за время периода СВЧ сигнала можно пренебречь. Описанный процесс иллюстрируется на рис. 6.3 , где упрощенно изображена также обратная ветвь ВАХ диода с участком лавинного пробоя.

Нарастание тока начинается в момент времени t ₁ , когда суммарное напряжение на диоде превышает напряжение пробоя, и продолжается до t ₃ , когда лавинное размножение прекращается. После момента t ₄ , описанный процесс повторяется. Таким образом, в сечении x = 0 периодически формируются сгустки носителей заряда , определяющие импульсы конвекционного тока. Максимум этого тока отстает от максимума напряжения на четверть периода, т. е. ток имеет индуктивный характер.

Дырки без заметной задержки рекомбинируют у омического контакта на границе p-области, а электроны протягиваются полем смещения через обедненную область с постоянной скоростью v_s (см. рис. 6.4) и исчезают, дойдя до ее границы, фактически совпадающей с координатой x = w . Условная схема обедненного участка структуры, через который дрейфует электронный сгусток, имеющий заряд Q, показана на рис. 6.4 . Движущийся заряд наводит во внешней цепи ток I _нав , определяемый по теореме Рамо–Шокли [15]:

.

(6.1)

На рис. 6.5 приведены осциллограммы напряжения на диоде (перенесена из рис. 6.3) и конвекционных токов, определяемых значениями концентрации электронов на границах активной области прибора.

	Iнав1 t t t t U t1 U0 I нав t2 t3 t4
Рис. 6.5. Осциллограммы конвекционных токов на границах активной области и наведенного тока во внешней цепи

Импульсы тока в сечении x = w отстают от соответствующих импульсов при x = 0 на время дрейфа электронов через данный участок структуры. Его длина w подобрана так, чтобы это время t _др составляло половину периода колебаний на рабочей частоте f .

Помимо этого, дана осциллограмма тока, наведенного во внешней цепи диода. Его значение приблизительно постоянно, пока сгусток электронов неизменной формы движется через активную область структуры с постоянной скоростью v_s . Штриховой линией показана первая гармоника этого тока I _{нав 1}. Она отстает от тока на четверть периода, т. е. на половину времени дрейфа. В итоге ток в цепи диода оказывается сдвинутым относительно напряжения на половину периода колебаний. Это означает, что прибор характеризуется отрицательным активным сопротивлением на рабочей частоте. Как было показано в разделе 2.­3, такой диод не потребляет энергию, а передает ее во внешнюю цепь и может быть использован для усиления или генерации сигналов на данной частоте.

Связь рабочей частоты с длиной активной области следует из сформулированного выше условия для оптимального времени дрейфа электронов:

,

(6.2)

что дает

.

(6.3)

Из рис. 6.5 следует, что электронные сгустки пролетают через активную область, получая энергию от поля постоянного напряжения смещения, во время полупериода СВЧ напряжения противоположного направления, т. е. в тормозящем СВЧ поле. Это означает, что в данный полупериод осуществляется передача энергии от источника смещения к СВЧ полю через движущиеся сгустки электронов. Такой механизм широко используется в электровакуумных приборах СВЧ диапазона [19].

Следует подчеркнуть, что размер активной области диода, согласно соотношению (6.3), жестко связан с рабочей частотой. Оценим размер w для кремниевого ЛПД, работающего на частоте 10 ГГц. Принимая v_s = 1×10⁷ см/с, получим w = 5×10^–4 см = 5 мкм. Это значение является вполне приемлемым для практической реализации, оно может быть без особых проблем уменьшено или увеличено на порядок и более. Однако для частот ниже СВЧ диапазона требуются размеры структуры более 1 см, что становится практически нереальным. Таким образом, ЛПД является специфическим активным полупроводниковым прибором, способным осуществлять функции усиления и генерации мощности именно в СВЧ диапазоне.

Эквивалентная схема диода Рида в рабочем режиме показана на рис. 6.6. При правильно выбранном напряжении смещения активное СВЧ сопротивление рабочей области R_d является отрицательным. Для учета тока дырок, возникающих при лавинном размножении, который отстает от напряжения на четверть периода, в схему введен индуктивный элемент L _лав .

Остальные элементы схемы являются традиционными для высокочастотных диодов (см., например, рис. 4.2).

Необходимо отметить, что требование снижения размеров активной области диодов при увеличении рабочей частоты приводит к уменьшению их максимальной выходной мощности. Напомним, что емкость структуры также должна снижаться, что при сокращении длины структуры требует более резкого уменьшения ее площади и, следовательно, допустимого тока. Связь рабочей частоты с выходной мощностью в непрерывном режиме для ЛПД из трех полупроводниковых материалов дана на рис. 6.7. Зависимости такого вида характерны и для других полупроводниковых приборов (см. раздел 10.1).

Приведенная на рисунке пунктирная линия соответствует уровню развития полупроводниковой техники в 1965 г., что демонстрирует прогресс, достигнутый в этой области со времени создания первых промышленных образцов ЛПД.

Варианты конструкции лавинно-пролетного диода

Помимо широко применяемой структуры, предложенной Ридом, существуют другие разновидности ЛПД. Более простой вариант конструкции со структурой, аналогичной pin-диоду, представлен на рис. 6.8.

Ее особенностью является отсутствие технологической границы между участком, где происходит в основном лавинное размножение носителей заряда, и пролетной областью для электронов. Положение фактической границы между указанными областями существенно зависит от мгновенного значения напряжения на диоде, что является нежелательным, т. к. приводит к уменьшению КПД прибора. Однако существенных различий в принципе работы двух рассмотренных вариантов ЛПД не имеется. К положительным факторам следует отнести снижение числа слоев, что облегчает изготовление прибора.

Весьма интересным и важным является вариант структуры, показанный на рис. 6.9. Здесь pn-переход и максимум напряженности электрического поля расположен в центральной части 4-слойной структуры. При правильно выбранном напряжении смещения, которое соответствует изображенному на рисунке распределению напряженности поля, происходит явление лавинного размножения. Однако обедненная пролетная область существует не только для электронов, но и для дырок. Поэтому ток дырок не является бесполезным, а дает дополнительный вклад в отрицательную активную проводимость прибора, благодаря чему его КПД может увеличиться приблизительно вдвое. Это оправдывает некоторое усложнение его изготовления.

Недостатком рассмотренной структуры является повышенное тепловое сопротивление, т. к. путь для отвода тепла от наиболее нагреваемой центральной области до ближайшего металлического контакта оказывается более длинным, чем в предыдущих вариантах.

В следующей конструкции ЛПД pn-переход заменен барьером Шоттки, работающим также при обратном смещении (см. рис. 6.10). В остальном работа диода и его характеристики принципиально не отличаются от характеристик прибора с pin-структурой.

Его достоинствами являются простота изготовления при широком выборе металла контакта и оптимальные условия теплоотвода благодаря тому, что область максимальной напряженности поля и наибольшего тепловыделения примыкает вплотную к металлическому слою, через который обеспечивается эффективный отвод тепла.