Лавинно-пролетные диоды

Принцип действия лавинно-пролетных диодов (ЛПД) основан на ударной ионизации в слое умножения носителей заряда, временной задержке при пролете (дрейфе) в поле ОПЗ, приводящей к отставанию тока по фазе относительно переменного напряжения на величину p или по времени на полпериода, что эквивалентно появлению динамического отрицательного сопротивления в СВЧ диапазоне.

ЛПД предназначены для генерации, усиления СВЧ сигналов и умножения частоты. Различают два основных режима работы ЛПД: пролетный режим IMPATT и режим с захваченной плазмой TRAPATT.

Рассмотрим принцип действия ЛПД на примере p⁺-n-n⁺-структуры. Пусть на диод подано постоянное обратное напряжение (несколько меньше напряжения лавинного пробоя U_В0), на которое накладывается небольшой переменный сигнал (рисунок 6.44). Ширина n-слоя мала, и весь он занят областью объемного заряда p-n-перехода. Амплитуду переменного сигнала выбираем такой, чтобы в момент максимума суммарное напряжение на диоде было больше U_В0.

Рисунок 6.44 - Зависимости от фазы: а – переменного напряжения, подаваемого на ЛПД;

б – тока во внешней цепи и инжекционного тока

В течение времени, когда напряжение на диоде больше U_В0, в части области объемного заряда около р⁺-слоя напряженность электрического поля выше значения , необходимого для лавинного умножения, поэтому здесь происходит лавинное образование электронно-дырочных пар (рисунок 6.45). Эта часть области объемного заряда (0–x_y) называется слоем умножения. Электроны и дырки разделяются электрическим полем и экстрагируются из области объемного заряда. Дырки сразу переносятся из слоя умножения в р⁺-область, а электроны проходят через область объемного заряда в n⁺-область. В момент максимума следующего положительного полупериода образуется новый сгусток электронов, который дрейфует к n⁺-области и т.д. Таким образом, ток через диод модулируется с частотой приложенного переменного напряжения.

e e

e_л

p⁺ 0 x_y n d n⁺ x p⁺ n i n⁺ x

Рисунок 6.45 - Распределение напряженности электрического поля в p⁺-n-n⁺

и p⁺-n-i-n⁺-структурах при работе ЛПД в IMPATT-режиме

В данном случае ток в цепи отстает по фазе относительно напряжения на время пролета электронов через область дрейфа (x_y – d). Частоту переменного сигнала можно выбрать так, что электроны попадут в n⁺-область в момент окончания периода Т переменного сигнала. При запаздывании лавины, равном Т/4 (см. рисунок 6.44), электроны сразу попадают в замедляющий участок волны и находятся в нем в течение всего времени пролета, если последнее равно Т/2. При таких условиях R_д максимально.

Как всякий прибор с отрицательным сопротивлением, ЛПД, помещенный в резонатор, может генерировать колебания. Так как время дрейфа электронов и дырок через область объемного заряда мало, то R_д становится отрицательным на СВЧ-частотах. Поэтому ЛПД в основном используются для генерации СВЧ-колебаний. Рассмотренный лавинно-пролетный режим работы ЛПД называется IMPATT-режимом (Impact Avalanche Transit Time).

В качестве ЛПД могут использоваться любые структуры: p⁺-n-n⁺, p⁺-i-n⁺, p⁺-n-i-n⁺, p⁺-p-n-n⁺, а также барьеры Шоттки. Размеры промежуточных областей таковы, что они полностью занимаются объемным зарядом при обратном напряжении. Поскольку ЛПД используется для генерации СВЧ-колебаний, общим требованием является малая зарядная емкость, т.е. малая площадь перехода.

Величина R_д более стабильна, если время пролета не меняется при изменении напряжения на ЛПД. Это возможно только тогда, когда скорость движения носителей в области дрейфа не зависит от напряженности электрического поля (рисунок 6.46).

При больших e скорость дрейфа слабее зависит от напряженности электрического поля, а при напряженностях выше достигает насыщения. Таким образом, R_д не зависит от внешнего напряжения, если в области дрейфа . В этом отношении удобна p⁺-n-i-n⁺-структура с тонкой n-областью, которая является слоем умножения, а областью дрейфа служит i-слой (см. рисунок 6.45). Постоянство скорости дрейфа обеспечивается .

t₀ t₁

v

v_нас

t₂

0 e_нас e p⁺ 0 x_y n n⁺

Рисунок 6.46 - Зависимость скорости дрейфа носителей заряда в полупроводнике от напряженности электрического поля

Рисунок 6.47 - Распределение напряженности электрического поля при работе ЛПД в TRAPATT-режиме

В p⁺-p-n-n⁺-структуре (ЛПД с двойным пролетным пространством) одновременно с дрейфом электронов в n-области происходит синфазный дрейф дырок в p-области. Дополнительно рост мощности в таких ЛПД можно получить за счет увеличения площади перехода, т.к. область объемного заряда d здесь шире (С_з ~ S/d), и одновременное увеличение S и d не увеличивает емкость диода.

При больших токах через ЛПД он может работать в режиме с «захваченной плазмой» - TRAPATT-режиме (Traped Plasma Avalanche Triggered Transit). На рисунке 6.47 показано распределение напряженности электрического поля в p⁺-n-n⁺-структуре при подаче напряжения, значительно большего U_В0. В первый момент после включения диода t₀ распределение напряженности электрического поля линейно. В последующий момент концентрация электронов и дырок в прилегающей к p⁺-области части n-слоя резко увеличивается за счет лавинного умножения, а напряженность электрического поля соответственно уменьшается. Это приводит к перераспределению падения напряжения между частями n-слоя, увеличению напряженности электрического поля выше в части n-слоя за точкой x_y(t₁) и перемещению слоя умножения по области объемного заряда.

Движение фронта волны ионизации происходит быстрее, чем движение электронов в электрическом поле, поэтому вся n-область заполняется электронно-дырочной плазмой быстрее, чем она из нее выносится. Напряжение на диоде резко уменьшается, что приводит к задержке экстракции носителей из области объемного заряда. Такое состояние и получило название режима с «захваченной плазмой».

Время рассасывания электронно-дырочной плазмы определяется сопротивлением последовательно включенных с ЛПД резисторов (в том числе и собственных сопротивлений потерь). После рассасывания электронно-дырочной плазмы период повторяется. Так как скорости экстракции носителей заряда из области объемного заряда в этом режиме значительно ниже скорости насыщения, то частота колебаний меньше, чем в собственно лавинно-пролетном режиме. Амплитуда колебаний и КПД, наоборот, увеличиваются и достигают 40%.

Поскольку при лавинном пробое ток запаздывает относительно напряжения, то реактивное сопротивление ЛПД имеет индуктивный характер. Так как сопротивление потерь r_п и сопротивление утечки тока p-n перехода уменьшают отрицательную часть полного активного сопротивления p-n перехода, то он может быть использован в качестве ЛПД лишь при малом r_п и большом r_y. Значительно ухудшает параметры ЛПД неоднородность лавинного пробоя по площади p-n перехода (микроплазмы и т. д.). Она приводит к размытию сгустка носителей заряда в лавине и уменьшению глубины модуляции сопротивления p-n перехода.

В СВЧ-диапазоне в ЛПД преобладают дробовые шумы, которые при лавинном умножении усиливаются в М раз. Поэтому уровень собственных шумов ЛПД значительно выше, чем других СВЧ-диодов, например диодов Ганна. Большой уровень собственных шумов не позволяет использовать ЛПД в качестве усилителей слабых сигналов. Широкое применение ЛПД находят в генераторах СВЧ-сигналов диапазона 0,5...100 ГГц и генераторах шума.