Инжекционно-пролетные диоды

Инжекционно-пролетный диод (ИПД) принадлежит к семейству про­летных СВЧ-диодов, В основе его работы лежат два меха­низма: термоэмиссия (инжекция) и диффузия неосновных носи­телей через прямосмещенный барьер и пролет носителей через область дрейфа (что приводит к запаздыванию фазы на угол пролета 3p/2). Обычно ИПД маломощны и имеют низкий КПД, однако отношение сигнал/шум лучше, чем у других диодов. ИПД используются чаще всего в качестве гетеродинов в СВЧ-приемниках.

Инжекционно-пролетный диод представляет собой два выпрям­ляющих контакта с общей базой, которая в рабочих условиях пол­ностью обеднена носителями [11].

Сначала рассмотрим протекание электрического тока в симметричной структуре металл – полупроводник – металл (МПМ) с однородно легированным слоем полупроводника n-типа (рисунок 6.51, а). На рисунках 6.51, б, в приведены распределения объемного заряда и электрического поля смещенного диода (соответственно меньшее положительное напряжение приложено к контакту 1, причем контакт смещен в прямом направлении, а контакт 2 – в обратном).

Ширина обедненных областей определяется следующим равенствами:

и ,

где W₁ и W₂ – толщины обедненных областей прямо- и обратносмещенных барьеров соответственно, N_D – концентрация ионизованной примеси и V₀ – контактная разность потенциалов. В этих условиях полный ток равен сумме обратного тока насыщения диода Шоттки с высотой барьера j_Bn , генерационного тока и тока поверхностных утечек.

Контакт Контакт

1 2

а)

Полупроводник

qN_D

б)

W

W x

e

в)

x

W₁ W₂

Рисунок 6.51 – Структура металл – полупроводник – металл (МПМ-структура):

а – МПМ-структура с однородно легированным полупроводником n-типа; б – распределение пространственного заряда при малых смещениях диода; в – распределение поля

По мере увеличения напряжения в конце концов произойдет смыкание обедненной области контакта, смещенного в обратном направлении, с обедненной областью прямосмещенного контакта (рисунок 6.52, а). Соответствующее напряжение называется напряже­нием смыкания (или напряжением прокола) V_см . Это напряже­ние можно найти, приравняв W₁ + W₂ = W (где W – ширина n-области):

(6.12)

При дальнейшем увеличении напряжения энергетические зоны на контакте 1становятся плоскими. В этом случае электрическое поле при х = 0 равно нулю, а падение напряжения на первом кон­такте V₁= V₀ (рисунок 6.52, б). Соответствующее напряжение назы­вается напряжением плоских зон V_пл :

(6.13)

Зависимость напряжения плоских зон от концентрации примеси в кремниевых диодах с различной шириной базы приведена на рисунке 6.53. Для заданной ширины базы максимальная величина V_пл ограничена напряжением лавинного пробоя.

Величина постоянного смещения ИПД в условиях генерации СВЧ-мощности обычно лежит между V_см и V_пл . Для определения вида ВАХ в этом диапазоне смещений (V_см < V < V_пл) найдем значение прямосмещенного барьера из (6.12), учитывая, что

,

. (6.14)

Из этого выражения следует

. (6.15)

Рисунок 6.52 - Распределение электрического поля и энергетическая диаграмма МПМ-структуры при проколе (а) и в условиях плоских зон (б)

После смыкания обедненных областей ток термически эмиттированных через барьер j_Bp дырок становится доминирующим:

, (6.16)

где – эффективная постоянная Ричардсона (4.1).

Из равенства (6.15) для получаем

.

Таким образом, после смыкания обедненных носителями областей зависимость тока от напряжения будет экспоненциальной.

Рисунок 6.53 - Зависимость напряжения плоских зон от концентрации примеси в кремниевых диодах с различной шириной базы

Если ток настолько велик, что концентрация инжектирован­ных носителей сравнивается с концентрацией ионизованной при­меси, объемный заряд подвижных носителей определяет распределение электрического поля в области дрейфа. Этот ток называется током, ограниченным пространственным зарядом. Если дырки пересекают n-область со скоростью насыщения v_s , а ток , то уравнение Пуассона принимает вид

.

Дважды проинтегрировав это уравнение с граничными условиями e = 0, V = 0 при х = 0, получим

. (6.18)

Изложенные выше соображения можно применить для других структур, таких, как p⁺-n-p⁺- и p⁺-i-n-p-p⁺-диоды (рисунок 6.54). Выражения для смыкания и плоских зон в p⁺-n-p⁺-диоде имеют такой же вид, как и для МПМ-структуры.

Протекание тока через p⁺-n-p⁺-диод, в котором произошел прокол, определяется теми же механизмами, что и в МПМ – структуре. Единственным отличием является отсутствие в равенствах (6.16) и (6.17) множителя exp(–qj_Bp/kT) в случае инжекции носителей через смещенный в прямом направлении p⁺-n-переход, т.е.

. (6.19)

При комнатной температуре составляет ~ 10⁷ А/см². Поэтому в обычных рабочих условиях эффект ограничения объемным зарядом становится существенным при токах, значительно меньших J_пл .

Рисунок 6.54 - Распределение электрического поля при малых смещениях и проколе

и энергетические диаграммы при проколе для p⁺-n- p⁺-структуры

Типичная вольт-амперная характеристика кремниевого p⁺-n-p⁺-диода с концентрацией примеси 5∙10¹⁴ см^–3 и шириной базы 8,5 мкм приведена на рисунке 6.55. Напряжение плоских зон равно 29 В, а напряжение смыкания составляет ~21 В. Отметим, что сначала ток возрастает экспоненциально, а затем линейно с на­пряжением.

Для эффективной работы ИПД необходимо контролировать величину инжектированного заряда. Поэтому ток должен резко возрастать с увеличением напряжения. Линейная вольт-ампер­ная зависимость, связанная с током, ограниченным простран-ственным зарядом, будет ухудшать характеристики прибора. Обычно опти­мальная плотность тока значительно меньше J = qu_s∙N_D .

Описанный выше диод со смыканием обедненных областей (ко­торый также называют диодом со смыканием) используется в качестве быстродействующего малошумящего стабили-трона, поскольку ток в таком диоде резко возрастает, как только напряжение пре­высит напряжение смыкания. Эффект накопления заряда практи­чески отсутствует; кроме того, диод обладает хорошей температур­ной стабильностью. Были созданы диоды со смыканием с рабочим напряжением от 1,5 до 35 В, причем характеристики были сравнимы и даже лучше, чем характеристики стабилитрона, в котором используются явления лавинного пробоя или туннелирования.

В динамическом режиме вследствие запаздывания инжектированного тока при пролете дрейфовой области на определенных частотах, как и в случае ЛДП, реализуется динамическое отрицательное дифференциальное сопротивление. Условием появления отрицательного сопро-тивления в ИПД является требование, чтобы угол пролета q_d был больше p, но меньше 2p:

p £ q_d < 2p, (6.20)

где ;

v_s – дрейфовая скорость насыщения.

Так как токовый пакет в области барьера (х < x_R) и дрейфовой области с малой напряженностью поля имеет существенно больший разброс по скоростям, по сравнению с диодом Рида, в котором в дрейфовой области реализованы условия постоянной скорости , то КПД инжекционно-пролетных диодов значительно ниже, чем у лавинно-пролетных (ЛПД) и составляет (2 – 5)% в частотном диапазоне до 20 ГГц.

Существенным преимуществом ИПД перед ЛПД является значительно более низкий уровень шумов, так как в первом отсутствует ударная ионизация, которая приводит к увеличению дробовых шумов в М раз, где М – коэффициент лавинного размножения ~ 3×10². Это обстоятельство предопределило использование ИПД в качестве предусилителей и гетеродинов в СВЧ – приемниках.

Сравнительные характеристики ЛПД и ИПД приведены на рисунке 6.56.

Контрольные вопросы

1. Приведите классификацию полупроводниковых диодов по применению и физическим механизмам работы.

2. Почему кремниевые выпрямительные диоды изготавливаются на основе р⁺-n-n⁺ структуры?

3. Перечислите механизмы, протекающие в структуре импульсного диода при переключении.

4. Объясните эпюры переходного процесса по току и напряжению при переключении диода из прямого смещения в обратное.

5. Объясните основные конструкторско-технологические направления повышения быстродействия импульсных диодов.

6. Какая конструктивная особенность структуры ДНЗ обеспечивает малое время выключения?

7. В каких устройствах применяются диоды с накоплением заряда?

8. В чем заключается принцип действия параметрического усилителя?

9. Перечислите и объясните назначения основных параметров варикапа.

10. С какой целью реализуются варикапы на основе сверхрезкого р-n перехода?

11. Чем определяется чувствительность параметрического усилителя на основе варикапа?

12. Объясните частотную зависимость добротности при различных температурах.

13. Какие механизмы пробоя используются в кремниевых стабилитронах?

14. Перечислите и объясните назначение основных параметров стабилитрона.

15. Объясните принцип параметрической стабилизации напряжения с помощью стабилитрона.

16. Почему изменяется знак ТКН кремниевых стабилитронов в диапазоне напряжений стабилизации (5…6) B?

17. Что такое варисторы? Основные области применения.

18. Для каких областей применения предназначены СВЧ диоды?

19. Объясните назначение смесительных диодов. Назовите основные параметры и базовые конструкции и материалы для смесительных диодов.

20. Чем определяется чувствительность по току детекторного диода?

21. Поясните принцип действия переключательного р-i-n диода.

22. Поясните принцип действия туннельного диода. Почему туннельные диоды могут быть реализованы только на сильнолегированных вырожденных полупроводниках?

23. Чем определяются параметры U_max, I_max, U_min, I_min и отрицательное дифференциальное сопротивление?

24. Перечислите области применения туннельных диодов.

25. В чем заключается основное преимущество обращенных диодов по сравнению с детекторами и смесителями на основе р-n перехода и барьере Шоттки?

26. На каком принципе работают диоды Ганна?

27. Объясните условие (6.11) пролетного режима генерации диодов Ганна. Почему длительность переднего фронта переменного тока значительно больше заднего фронта?

28. В чём заключается режим ограничения накопления объемного заряда? В каком частотном диапазоне он реализуется?

29. Перечислите основные области применения диодов Ганна.

30. В чем заключается принцип работы регенеративных усилителей на диодах Ганна? Какие характеристики диодов Ганна со сверхкритическим легированием предопределили их применение в СВЧ усилителях?

31. Поясните принцип действия лавинно – пролетных диодов.

32. В чем заключается причина появления динамического отрицательного сопротивления ЛПД?

33. Чем определяется частотный диапазон пролетного режима работы ЛПД IMPATT?

34. Почему для ЛПД диодов используют структуру Рида p⁺-n-n^–-n⁺?

35. В чем заключается режим работы ЛПД с захваченной плазмой TRAPATT? Какие его особенности по сравнению с IMPATT режимом?

36. Перечислите области применения ЛПД.

37. В чем заключаются преимущества и недостатки усилителей в режиме синхронизации по сравнению с регенеративным режимом усиления?

38. Укажите на особенности структуры умножительных ЛПД по сравнению со структурой усилительных ЛПД?

39. Поясните принцип действия инжекционно – пролетного диода (ИПД).

40. Чем определяется частотный диапазон, в котором реализуется динамическое отрицательное сопротивление?

41. В чем заключается преимущество ИПД перед ЛПД, и где они применяются?