Файл: Конспект.doc

Нагальна необхідність мініатюризації апаратури НВЧ, підвищення її економічності і надійності викликала швидке зростання робочих частот напівпровідникових приладів. Поряд з великими успіхами в технології транзисторів цьому сприяло відкриття нових фізичних явищ в напівпровідниках.
Одним з перших явищ такого роду було виявлене НВЧ випромінювання при ударній іонізації в р-п - переходах, яке послужило основою для створення нових приладів – лавинно-пролітних діодів (ЛПД).
Лавинно-пролітний діод - напівпровідниковий діод, що має негативний диференціальний опір в НВЧ- діапазоні внаслідок розвитку так званої лавинно-пролітної нестійкості. Остання обумовлена ударною іонізацією та дрейфом носіїв заряду в р-n - переході в режимі зворотного зміщення.
Теоретичні розробки з описом ідеї створення ЛПД вперше були викладені У. Рідом в 1958 році, тому базовий варіант лавинно-пролітного діода на основі асиметричного p-n-переходу зазвичай називають діодом Ріда.
Генерація НВЧ коливань в такого сорту германієвих структур вперше спостерігалася в 1959 році Тагером А.С., а потім в 1965 році на кремнієвих діодах Р. Л. Джонсоном.
Виникнення негативного опору в ЛПД обумовлено двома фізичними процесами, що мають кінцеві часи протікання в області просторового заряду (ОПЗ) p-n-переходу в режимі лавинного множення. Перший процес пов'язаний з часом наростання лавинного струму, а другий процес пов'язаний з проходженням носіїв через пролітну область. Їх суперпозиція призводить до появи фазового зсуву між струмом і напругою на відводах діода. Одним з основних критеріїв, необхідним для роботи ЛПД, є приблизна рівність між періодом коливань НВЧ поля і характерним часом прольоту носіїв через ОПЗ.
В наш час ЛПД є одним з найбільш потужних джерел НВЧ-випромінювання.
Основними представниками сімейства ЛПД є діод Ріда, асиметричний різкий p-n-перехід, симетричний p-n-перехід (діод з двома дрейфовими областями), діод з двошаровою базою, діод з тришаровою базою (модифікований діод Ріда) і p-i-n-діод.
Для виготовлення ЛПД використовують кремній та арсенід галію.

Будова і зонна діаграма

Розглянемо будову і параметри ЛПД на основі класичного діода Ріда зі структурою p+-n-i-n+ (рис.). Діод складається з сильно легованого р+-еміттера і неоднорідно легованої n-бази (рис. 1, а). Вузький шар n-бази легований сильно (n-шар), інша частина бази легована слабо (i-шар). Розподіл поля в такій структурі для зворотної напруги U₀, більшої, ніж напруга пробою U_i, показано на рис. 1 (б). При цьому напруженість поля в області р-n-переходу перевищує поле ударної іонізації E_i і поблизу р-n-переходу генеруються електронно-діркові пари (область множення). Дірки швидко пролітають до електрода крізь вузький сильно легований емітер, не надаючи істотного впливу на роботу приладу. Електрони, покинувши область множення, пролітають потім протяжну слабо леговану n- область (область дрейфу).

В області множення і в області дрейфу електрони рухаються з однією і тією ж дрейфовою швидкістю, що не залежить від напруженості поля - швидкістю насичення υ_s. Значення поля E_s, при якому дрейфова швидкість електронів насичується, становить для електронів в Si і GaAs величину 10⁴ В/см, що значно менше значення поля в області множення (3-5) 10⁵ В/см. Характерне значення υ_s~10⁷ см/с.

Схема, зонна діаграма, розподіл концентрації легуючої домішки N, електричного поля E та коефіцієнта ударної іонізації a в діоді Ріда при напрузі, близькій до напруги лавинного пробою

Принципи генерації

Нехай крім постійної напруги U₀ до діода прикладена змінна напруга U частотою f (рис. а). З ростом напруги U відбувається різке збільшення концентрації носіїв в області множення внаслідок експоненціального характеру залежності коефіцієнта ударної іонізації від поля. Однак оскільки швидкість росту концентрації електронів dn/dt пропорційна вже наявній в області множення концентрації n, момент, коли n досягає максимуму, запізнюється по відношенню до моменту, коли максимуму досягає напруга на діод (рис. б). В умовах, коли υ_sне залежить від поля, струм провідності в області множення I_с пропорцій концентрації n: I_c= enυ_sS (е - заряд електрона, S - площа діода). Тому крива на рис. б являє собою також і залежність струму I_c в області множення від часу.

Коли напруга на діоді спадає і концентрація носіїв в області множення різко зменшується, струм на електродах приладу I (повний струм) залишається постійним (рис. в). Згусток електронів що сформувався в області множення рухається через область дрейфу з постійною швидкістю υ_s. Поки згусток електронів не увійде у контакт, струм через діод залишається постійним (теорема Рамо - Шоклі). З порівняння рис. а і в видно, що напруга, яка подається на ЛПД, коливається практично в протифазі зі струмом, таким чином має місце від'ємний диференціальне опір. Цей опір є частотно-залежним. Час прольоту носіїв через область дрейфу, t =L/υ_s, де L-довжина області дрейфу, практично дорівнює повній довжині діода. Зміщення фаз між струмом і напругою може бути реалізоване тільки на частоті f =1/t (і на гармоніках). Більш точний розрахунок встановлює співвідношення між f і L:

f = pv/L.

Залежність напруги (а), концентрації носіїв (б) та струму (в) на ЛПД від часу

Типова конструкція лдп

Механізм виникнення від'ємного диференціального опору є малосигнальним: коливання спонтанно наростають в резонаторі, налаштованому на відповідну частоту, при подачі на діод досить великого постійного зміщення.
На рис.1 і 2 показана типова структура та конструкція ЛПД із структурою р+-n-n+, змонтованого на тепловідводній пластині.

Структура лавинно-пролітного діода

1 - контактний шар;

2 – область утворення лавини (р-n-перехід);

3 – область дрейфу електронів;

4 - область дрейфу дірок

Конструкція лавинно-пролітного діода з мезаструктурою, змонтованої на тепловідводі:

1 - омічний контакт;

2 - сильно легований шар з електронною провідністю (n+- шар);

3 - слабко легований шар з електронною провідністю (n-шар);

4 - сильно легований шар з дірковою провідністю (р+ - шар);

5 - тепловідводна металізована пластина

Використання лпд для генерації нвч-коливань

Напівпровідникова ЛПД структура зазвичай монтується в типовий НВЧ корпус. Як правило, діод кріпиться дифузійною областю або металевим електродом на мідний або алмазний тепловідвід для забезпечення ефективного охолодження p-n-переходу під час роботи. Для роботи на частотах, що відповідають резонансної частоті власного контуру діода, достатньо помістити його в розріз коаксіального контуру. При роботі на частотах, відмінних від частоти власного контуру діода, останній розміщують у зовнішньому резонаторі. На рис.1 показана типова схема НВЧ резонатора для вимірювання спектра НВЧ коливань, що генеруються ЛПД, а на рис.2 - спектр НВЧ коливань, що генеруються ЛПД в режимі лавинного множення з негативним опором.

НВЧ-резонатор для ЛПД міліметрового діапазону довжин хвиль

Спектр коливань, що генеруються p-i-n-діодом (U = 54 В)

Параметри лпд

ЛПД широко застосовується для генерування і посилення коливань в діапазоні частот f = (1-400) ГГц. Найбільша вихідна потужність діапазону Р_вих = (1-3) ГГЦ отримана в приладах із захопленим об'ємним зарядом лавин, становить сотні Ват в імпульсі. Для безперервного режиму області сантиметрового діапазону найбільше значення вихідної потужності і ККД досягнуте на ЛПД з модифікованою структурою Ріда на основі GaAs і становить Р_вих = 15 Вт на частоті 6 ГГц.
На рис. наведено характерні параметри різних типів ЛПД (вихідна потужність, частота і коефіцієнт корисного дії), як для імпульсного, так і для безперервного режиму НВЧ генерації.