МИНОБРНАУКИ РОССИИ АСТРАХАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ В.Н. ТАТИЩЕВА Кафедра электротехники, электроники и автоматики Текст выступления по теме: ЛАВИННО-ПРОЛЕТНЫЕ ДИОДЫ СОДЕРЖАНИЕ 1. Определение.....................................................................................3 2. Основные положения…………………………................................4 3. Устройство и зонная диаграмма.....................................................5 4. Малосигнальные характеристики…………………..……..……......8 5. Использование ЛПД для генерации СВЧ‑колебаний.......................13 6. Коммутационные p-i-n-диоды………………….………………….…16 7. Вывод……………………………………………….…………………23 Слайд 3: Определение Лавинно-пролетным диодом (ЛПД) называют полупроводниковый диод с отрицательным сопротивлением в СВЧ-диапазоне, работающий при обратном смещении p-n перехода в режиме лавинного умножения носителей заряда и их пролета через область пространственного заряда (ОПЗ) полупроводниковой структуры. Слайд 4: Общие сведения Теоретические разработки с описанием идеи создания ЛПД впервые были изложены У. Ридом в 1958 году, поэтому базовый вариант лавинно-пролетного диода на основе асимметричного p-n перехода обычно называют диодом Рида. Генерация-СВЧ колебаний в такого сорта германиевых структурах впервые наблюдалась в 1959 году А.С. Тагером, а затем в 1965 году на кремниевых диодах Р. Л. Джонсоном. Слайд 5: Устройство и зонная диаграмма Рассмотрим устройство и параметры лавинно-пролетного диода на основе классического диода Рида со структурой p+-n-i-n+. На рис.1 приведены схема, зонная диаграмма, распределение легирующих примесей, электрического поля, коэффициента ударной ионизации в диоде Рида при напряжении, равном напряжению. Слайд 6: Для обратносмещенного p-n-перехода максимальное значение напряженности электрического поля наблюдается на металлургической границе, а поскольку коэффициент лавинного умножения согласно формуле: сверхэкспоненциально резко зависит от напряженности поля, то практически весь процесс умножения носителей происходит в узком слое высокого поля p-n-перехода, составляющего малую долю ширины обедненной области p+-n-перехода. Слайд 7: Ширина области умножения Цу определяется таким образом, чтобы при интегрировании коэффициента ионизации от 0 до Цу п полной величины эффективного коэффициента. Важнейшей характеристикой области дрейфа является скорость носителей заряда, с которой они проходят через эту область. Для того чтобы время пролета было минимально, необходимо в ОПЗ иметь высокие значения напряженности электрического поля. Значение электрического поля, соответствующего этому критерию, для кремния равняется 104 В/м, для арсенида галлия 103 В/см. Слайд 8: Появление фазового сдвига между током и напряжением на выводах лавинно-пролетного диода обусловлено двумя физическими процессами, имеющими конечные времена протекания и связанными с временем нарастания лавинного тока, и с прохождением носителей через пролетную область. Плотность переменного тока проводимости j c при х = 0 равна полной плотности тока j со сдвигом. Слайд 9: В произвольной области полный ток j(x) будет равен сумме тока проводимости j c и тока смещения j d . В выражении для полного тока j(x) величина Е(х) – переменная компонента напряженности СВЧ электрического поля. Комбинируя формулы получаем выражение для импеданса Z идеализированного диода Рида в следующем виде: Слайд 10: Слайд 11: Из рис.2 видно, что, когда угол j = 0, действительная часть импеданса Re всегда положительна или равна нулю. Максимальное значение отрицательного сопротивления наблюдается при инжекционном фазовом угле j, равном π, и пролетном угле θ, равном π. Это соответствует лавинно-пролетному режиму работы диода, когда фазовый сдвиг π достигается за счет конечного времени нарастания лавины, а пролетный эффект приводит к дополнительному запаздыванию на угол π. Слайд 12: На рис.3 показаны зависимости от времени напряженности СВЧ-поля в слое умножения, а также концентрация носителей заряда в момент инжектирования их из слоя умножения в пролетную область. На рис.3(в) показана типичная схема ЛПД со структурой p+-n-n+, смонтированной на теплоотводящей пластине. Слайд 13:Использование ЛПД для генерации СВЧ‑колебаний Полупроводниковая ЛПД-структура обычно монтируется в типовой СВЧ-корпус. Как правило, диод крепится диффузионной областью или металлическим электродом на медный или алмазный теплоотвод для обеспечения эффективного охлаждения p-n-перехода во время работы. При работе на частотах, отличных от частоты собственного контура диода, последний помещают во внешний резонатор. На рис.4 показана типичная схема СВЧ-резонатора для измерения спектра генерируемых ЛПД СВЧ колебаний. Слайд 14: На рис.5 – спектр СВЧ-колебаний, генерируемых ЛПД-диодом в режиме лавинного умножения с отрицательным сопротивлением. ЛПД широко применяется для генерирования и усиления колебаний в диапазоне частот 1–400 ГГц. Наибольшая выходная мощность диапазона 1–3 ГГЦ получена в ЛПД с захваченным объемным зарядом лавин и составляет сотни ватт в импульсе. Для непрерывного режима области сантиметрового диапазона наибольшее значение выходной мощности и КПД достигнуты на ЛПД с модифициррованной структурой Рида на основе GaAs и составляет Рвых = 15 Вт на частоте 6 ГГ. Слайд 15: На рис.6 приведены характерные параметры различных типов лавиннопролетных диодов (выходная мощность, частота и коэффициент полезного действия) как для импульсного, так и для непрерывного режима СВЧ-генерации. Слайд 16:Коммутационные p-i-n-диоды Наибольшее распространение получили переключательные диоды с p-i-n-структурой, хотя имеются варианты на основе p-n-перехода и барьера Шоттки. На рис.7(а) приведена топологическая схема типового p-i-n-диода. p‑ и n‑области диода обычно легированы до вырождения (n+, p+), активная i‑область имеет удельное сопротивление ρi от 100 до 1000 Ом · см с достаточно большим временем жизни неравновесных носителей τэф до 1,0 мкс. Толщина i-слоя базы диода составляет Wi = 3÷30 мкм. Слайд 17: Слайд 18: Слайд 19: При обратном смещении эквивалентная схема pin-диода представляется в виде рис. 7(в), где rобр – сопротивление i‑базы в немодулированном состоянии, равное Слайд 20: Слайд 21: Слайд 22: В качестве примера приведем характеристики кремниевого p‑i‑n-диода КА528АМ: прямое сопротивление потерь rпр при Рпд = 30 мВт, Iпр = 100 мА и λ = 10 см не более 0,5 Ом; критическая частота не менее 200 ГГц. На рис.8(а–г) приведены зависимости электрических параметров этого диода от режима работы. Слайд 23:Вывод Лавинно-пролётные диоды применяются в основном для генерации колебаний в диапазоне СВЧ. Процессы, происходящие в полупроводниковой структуре диода, ведут к тому, что активная составляющая комплексного сопротивления на малом переменном сигнале в определённом диапазоне частот отрицательна. На вольт-амперной характеристике лавинно-пролётного диода, в отличие от туннельного диода, отсутствует участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Рабочей для лавинно-пролётного диода является область лавинного пробоя.
