28591-1 (Физические основы микроэлектроники), страница 2

Таким образом, напряжение исчезновения домена оказывается меньше порогового напряжения формирования домена. Как видно из рис.5, вследствие резкой зависимости избыточного напряжения на домене от напряженности поля вне домена поле вне домена и скорость домена мало изменяются при изменении напряжения на диоде. Избыточное напряжение поглощается в основном в домене. Уже при скорость домена лишь немного отличается от скорости насыщения и можно приближенно считать , а , поэтому пролетная частота, как характеристика диода, обычно определяется выражением:

(6)

Длина домена зависит от концентрации донорной примеси, а также от напряжения на диоде и при составляет 5–10 мкм. Уменьшение концентрации примеси приводит к расширению домена за счет увеличения обедненного слоя. Формирование домена происходит за конечное время и связано с установлением отрицательной дифференциальной проводимости и с нарастанием объемного заряда. Постоянная времени нарастания объемного заряда в режиме малого возмущения равна постоянной диэлектрической релаксации и определяется отрицательной дифференциальной подвижностью и концентрацией электронов . При максимальном значении , тогда как время установления ОДП менее . Таким образом, время формирования домена определяется в значительной степени процессом перераспределения объемного заряда. Оно зависит от начальной неоднородности поля, уровня легирования и приложенного напряжения.

Р ис6. Диод Ганна.

Приближенно считают, что Домен успеет полностью сформироваться за время:

, (7)

где выражено в . Говорить о доменных режимах имеет смысл только в том случае, если домен успеет сформироваться за время пролета электронов в образце . Отсюда условием существования дипольного домена является или .

Значение произведения концентрации электронов на длину образца называют критическим и обозначают . Это значение является границей доменных режимов диода Ганна и режимов с устойчивым распределением электрического поля в однородно легированном образце. При домен сильного поля не образуется и образец называют стабильным. При возможны различные доменные режимы. Критерий типа справедлив, строго говоря, только для структур, у которых длина активного слоя между катодом и анодом много меньше поперечных размеров: (рис.6, а), что соответствует одномерной задаче и характерно для планарных и мезаструктур. У тонкопленочных структур (рис.6, б) эпитаксиальный активный слой GaAs 1 длиной может быть расположен между высокоомной подложкой 3 и изолирующей диэлектрической пленкой 2, выполненной, например, из SiO₂. Омические анодный и катодный контакты изготовляют методами фотолитографии. Поперечный размер диода может быть сравним с его длиной . В этом случае образующиеся при формировании домена объемные заряды создают внутренние электрические поля, имеющие не только продольную компоненту , но и поперечную компоненту (рис.6, в). Это приводит к уменьшению поля по сравнению с одномерной задачей. При малой толщине активной пленки, когда , критерий отсутствия доменной неустойчивости заменяется на условие . Для таких структур при устойчивом распределении электрического поля может быть больше .

Время формирования домена не должно превышать полупериода СВЧ-колебаний. Поэтому имеется и второе условие существования движущегося домена , из которого с учетом (1) получаем .

В зависимости от соотношения времени пролета и периода СВЧ-колебаний, а также от значений постоянного напряжения и амплитуды высокочастотного напряжения могут быть реализованы следующие доменные режимы: пролетный, режим с задержкой домена, режим с подавлением (гашением) домена. Процессы, происходящие в этих режимах, рассмотрим для случая работы диода Ганна на нагрузку в виде параллельного колебательного контура с активным сопротивлением на резонансной частоте и питанием диода от генератора напряжения с малым внутренним сопротивлением (см. рис.4,а). При этом напряжение на диоде изменяется по синусоидальному закону. Генерация возможна при .

При малом сопротивлении нагрузки, когда , где –сопротивление диода Ганна в слабых полях, амплитуда высокочастотного напряжения невелика и мгновенное напряжение на диоде превышает пороговое значение (см. рис.4,б кривая 1). Здесь имеет место рассмотренный ранее пролетный режим, когда после формирования домена ток через диод остается постоянным и равным (см. рис. 9.39, в). При исчезновении домена ток возрастает до . Для GaAs . Частота колебаний в пролетном режиме равна . Так как отношение мало, к.п.д. генераторов на диоде Ганна, работающих в пролетном режиме, невелик и этот режим обычно не имеет практического применения.

При работе диода на контур с высоким сопротивлением, когда , амплитуда переменного напряжения может быть достаточно большой, так что в течение некоторой части периода мгновенное напряжение на диоде становится меньше порогового (соответствует кривой 2 на рис.4,б). В этом случае говорят о режиме с задержкой формирования домена. Домен образуется, когда напряжение на диоде превышает пороговое, т. е. в момент времени (см. рис.4, г). После образования домена ток диода уменьшается до и остается таким в течение времени пролета домена. При исчезновении домена на аноде в момент времени напряжение на диоде меньше порогового и диод представляет собой активное сопротивление . Изменение тока пропорционально напряжению на диоде до момента , когда ток достигает максимального значения , а напряжение на диоде равно пороговому. Начинается образование нового домена, и весь процесс повторяется. Длительность импульса тока равна времени запаздывания образования нового домена . Время формирования домена считается малым по сравнению с и . Очевидно, что такой режим возможен, если время пролета находится в пределах и частота генерируемых колебаний составляет .

При еще большей амплитуде высокочастотного напряжения, соответствующей кривой 3 на рис.4,б, минимальное напряжение на диоде может оказаться меньше напряжения гашения диода .В этом случае имеет место режим с гашением домена (см. рис.4, д). Домен образуется в момент времени и рассасывается в момент времени , когда .Новый домен начинает формироваться после того, как напряжение превысит пороговое значение. Поскольку исчезновение домена не связано с достижением им анода, время пролета электронов между катодом и анодом в режиме гашения домена может превышать период колебаний: . Таким образом, в режиме гашения . Верхний предел генерируемых частот ограничен условием и может составлять .

Электронный к.п.д. генераторов на диодах Ганна, работающих в доменных режимах, можно определить, раскладывая в ряд Фурье функцию тока (см. рис.4) для нахождения амплитуды первой гармоники и постоянной составляющей тока. Значение к.п.д. зависит от отношений , , , и при оптимальном значении не превышает для диодов из GaAs 6% в режиме с задержкой домена. Электронный к.п.д. в режиме с гашением домена меньше, чем в режиме с задержкой домена.

Режим ОНОЗ.

Несколько позднее доменных режимов был предложен и осуществлен для диодов Ганна режим ограничения накопления объемного заряда. Он существует при постоянных напряжениях на диоде, в несколько раз превышающих пороговое значение, и больших амплитудах напряжения на частотах, в несколько раз больших пролетной частоты. Для реализации режима ОНОЗ требуются диоды с очень однородным профилем легирования. Однородное распределение электрического поля и концентрации электронов по длине образца обеспечивается за счет большой скорости изменения напряжения на диоде. Если промежуток времени, в течение которого напряженность электрического поля проходит область ОДП характеристики , много меньше времени формирования домена , то не происходит заметного перераспределения поля и объемного заряда по длине диода. Скорость электронов во всем образце «следует» за изменением электрического поля, а ток через диод определяется зависимостью скорости от поля (рис.7).

Таким образом, в режиме ОНОЗ для преобразования энергии источника питания в энергию СВЧ-колебаний используется отрицательная проводимость диода. В этом режиме в течение части периода колебаний длительностью напряжение на диоде остается меньше порогового и образец находится в состоянии, характеризуемом положительной подвижностью электронов, т. е. происходит рассасывание объемного заряда, который успел образоваться за время, когда электрическое поле в диоде было выше порогового.

Условие слабого нарастания заряда за время приближенно запишем в виде , где ; –среднее значение отрицательной дифференциальной подвижности электронов в области . Рассасывание объемного заряда за время , будет эффективным, если и , где ; и –постоянная времени диэлектрической релаксации и подвижность электронов в слабом поле.