Шишкин Г.Г., Шишкин А.Г. - Электроника (1006496), страница 18

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 18)

Каждая изприведенных структур характеризуется определенным напряже-·.нием пробоя, размером области лавинного умножения и областидрейфа, степенью влияния объемного заряда носителей и темпе-.ратуры, а также динамическими характеристиками. Рассмотре-:ние физических процессов в ЛПД проведем на основе анализа про­стейшей(рис.структуры3.11).-асимметричногорезкого р+-п-перехода~Отметим, что в ЛПД распределение концентраций·примесей в переходах должно быть как можно ближе к ступенчатому, подобно тому, как это представлено на рис.рис.3.11,3.11,·а. На·б, в показаны распределение напряженности электри­ческого поля{5при подаче обратного напряжения на структуру(«минус» источника питания подключен к области р+) и эффективного коэффициента ударной ионизации <а>. ЛПД работают«Глава З. Полупроводниковые диоды97прИ подаче постоянного смещения, близкого к пробивному, приэтом обедненный слой р+ -п-перехода распространяется через всюп-базу, которая является областью дрейфа носителей.

Максимумнапряженности электрического поляSm достигается на металлур-гической границе р+ -n-перехода,. вблизи которой существует уз­кий слой Wл=х- х 0 (0) (см. рис.3.11, б,в), гдеS> Sпроб и, следова­тельно, происходит лавинное размножение носителей·с коэффи­циентом <а>. Дырки сразу же под действием поля попадают в р+­область, а электроны дрейфуют по направлению к п+-области соскоростью насыщения vнас' которая для кремния равна 10 7 см/спри S >104 В/см, а время дрейфа tдР = W в/vнас·Использование ЛПД или другого электронного прибора в ка­честве активного элемента в схеме автогенератора СВЧ-колеба­ний основано на том, что при определенных условиях этот при­бор может представлять собой отрицательное динамическое со­противление(ОДС).Понятиеотрицательногодинамическогосопротивления характеризует сопротивление диода яа перемен­ном токе, когда между переменными составляющими тока iд, те­кущего через прибор, и напряжения Ид' приложенного к егоэлектродам, существует фазовый сдвиг е такой величины, что втечение большей части периода процесс нарастания напрлжеiдi = Imsin (rot+ п)iurotИдrot1110=пи= Иmsinrot1111Иоrotrotб)Рис.4 ..

67793.1298Раздел1.ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫния сопровождается снИжением тока, и наоборот. Из рис. 3.12, алегко видеть, что при е= 1t/2промежутки времени Лt1=Л81/Ю,в течение которых наблюдается отрицательное динамическоесопротивление (на рисунке эти участки заштрихованы), череду­ются с равными по величине интервалами Лt 2=Л8 2 /rо, ког­да динамическое сопротивление положительно. Следовательно,в среднем за период динамическое сопротивление не являетсяотрицательным.Отрезки времени Лt 1 превысят по величине отрезки Лt 2 , еслисдвиг фазе будет больше п/2, а в случае е = 1t (см.

рис.3.12, б)диод будет представлять собой отрицательное динамическое со­противление в течение всего периода. Таким образом, условие,при котором диод в течение большей части периода характеризу­ется отрицательным динамическим сопротивлением, можно за­писать в виде3п/2>е>п/2.(3.5)В ЛПД требуемый фазовый сдвиг между переменными со­ставляющими тока и напряжения, определяемый формулой(3.5),образуется за счет конечного времени протекания основ­ных физических процессов: лавинного размножения свободныхносителей заряда в запирающем слое электрического переходаи их дрейфового движения в базе прибора.Рассмотрим процессы более детально.Предположим, чтоЛПД в виде структуры, представленной на рис.чен в схему,3.11,а, вклю­содержащую источник внешнего постоянного на­пряжения И 0 , а также колебательный контур с параметрами Lk,Ck, Rk(рис.3.13).Конденсатор С шунтирует источник постоян­ного напряжения по переменному току, Rогр задает положениерабочей точки.

Предположим, что в колебательном контуре воз­никли колебания с частотой.ro,равной резонансной частоте кон-.Jтура, и амплитуда этих колебанийVDмы в качестве автогенератора в ста­И т стационарна. Работа такой схеционарномрежимевозможна,ес­ли ЛПД представляет собой элементс отрицательным динамическим со­противлением.

Тогда энергия, пос­тупающая в контур за счет перемен­ной составляющей тока диода, рас­Рис.3.13ходуетсянавосполнениепотерьв99Глава З. Полупроводниковые диодыIИПРобl 14--~---------------IИolIа)11111-Иnроб-и:в)Члг)iдt1оАии= Umsin rotРис.3.14самом контуре и в других цепях схемы и способствует таким об­разом поддержанию стационарной амплитуды колебаний.Рассмотрим физические процессы в ЛПД и докажем, что вэтой схеме обеспечиваются необходимые условия для поддер­жания колебаний стационарной амплитуды.На рис.3.14,а показана БАХ диода.

Напряжение И 0 обрат­ного смещения, определяющее рабочую точку А на обратнойветви характеристики диода, по абсолютной величине меньшепробивного напряжения IИ 0 \ < IИпробl· На этом же рисунке по­казано переменное напряжение и =Итsin rot,возникающее наколебательном контуре, и, следовательно, на электродах диода.Суммарное напряжение на диоде Ид=U0+И тsin rot таково,чтов интервалы Лt отрицательного полупериода оно по абсолютнойвеличине превышает напряжение И проб·Электрическое поле, создаваемое в диоде за счет внешних по­стоянного и переменного напряжений, суммируется с контакт­ным полем в электрическом переходе.

При условии IИдl > \Ипробl(момент4·t1на рис.3.14,б) в диоде возникает лавинный пробой,Раздел1001.ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫпричем образование лавины ограничено узкой областью запи­рающего слоя вблизи границы р+- и п-областейжения Wл (см. рис.3.11,-слоем умно­в), где поле имеет наибольшую величи­ну и где коэффициент умножения носителей больше единицы.Таким образом, в узком слое умноженияWллавинообразно на-растают концентрации электронов и дырок, и объемный зарядq 0 = qn+ qp, возникающий за счет их встречного дрейфа.Образование лавиныионизации атомов-это ряд последовательных процессовполупроводника,причем скорость генерацииэлектронно-дырочных пар в области размножения носителей за­виситотнапряженностиэлектрическогополяиконцентрациичастиц.

Поэтому число размноженных носителей и, соответствен­но, объемный зарядq0 достигают максимальной величины лишьпо истечению некоторого времени Лtлав после момента t 1 началавозникновения лавины (рис.3.14, в).После того как напряже­ние на диоде снизится до значения IИдl < IИпробl (момент t 2 нарис.3.14,б), процесс размножения носителей заряда прекра­щается.

На рис.3.14, в показан процесс изменения объемногоq 0 , причем интервал времени ЛtдР несколькозаряда электроновбольше Т/4 (Т- период колебаний напряжения Ид). По мерепоявления носителей заряда в узком слое умножения они подвлиянием электрического поля уходят из этого слоя, при этомдырки и электроны дрейфуют в противоположных направле­ниях. В следствие того, что Wлв течениекороткого«Wв (см. рис.отрезка времениуходят3.11,иза,в), дыркизапирающегослоя в р+ -область, а сгусток вновь образовавшихся электроновдрейфует в базе в течение более длительного времени ЛtдР (см.рис.3.14,в). Если величина поля в базе диода при любом значе­нии Ид превышает напряженность поля Бнас• при которой наблю­дается насыщение дрейфовой скорости, то электроны движутсяв базе с неизменной скоростью vдР=vдр.

нас· Достигая п-п+-пере­хода, электроны экстрагируются полем этого перехода (моментt3на рис.3.14,б, в). За время движения в базе объемный зарядэлектронов наводит во внешней цепи ток iнав (рис.3.14,г), близ­кий по форме к прямоугольному импульсу. В момент времениt4напряжение на диоде снова превышает пробивное напряжениеи описанные процессы повторяются.Таким образом, во внешней цепи диода наблюдаются импуль­сы тока, следующие друг за другом с периодом повторения Т, рав-Глава3.Полупроводниковые диоды101ным периоду переменного напряжения Ид на диоде. Значение ин­тервалов времени ЛtлаJ3 и ЛtдР могут быть выбраны такими, чтопервая гармоника импульсной последовательности (сплошная ли­ния на рис.3.14, г) окажется в противофазе (8 = 7t) с напряжениемна диоде.

В этом случае диод будет представлять собой отрица­тельное динамическое сопротивление в течение всего периода.Если же фазовый сдвиг8 ,,= 7t,то у~ловие поддержания коле­баний в контуре выполняется лишь в те отрезки времени, когдадиод характеризуется отрицательным дифференциальным со­противлением. В этом случае в контур передается .меньшаяэнергия и амплитуда колебаний уменьшается. Величина фазо­вого сдвига зависит, в частности, от частоты колебанийro:(3.6)Отсюда следует, что при неизменных условиях образованиялавины и дрейфа носителей в диоде величина угла8может из­мениться при 'перестройке контура. Поэтому для данного диодаможно определить оптимальную частоту rоопт генерируемых ко­8 наиболее близок к вели­180° и мощность колебаний максимальна.Отклонение величины фазового угла 8 от оптимальной можетлебаний, при которых фазовый уголчинепроизойти и по другим причинам. Так, например, возникновениеплотного объемного заряда электроновqnв базе диода снижаетпотенциал в области существования этого заряда, и распределе­ние электрического поля{jkэто показано на рис.сплошной линией (штриховой линией3.15в диоде может измениться так, какпоказана напряженность поля в отсутствие объемного заряда).хРис.3.15102Раздел1.ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫСнижение величины поля Бk в слое умножения приведет ктому,чтопроцессмента t 2 (см.

рис.нарастания3.14,лавиныпрекратитсяранеемо­б); следовательно, уменьшится величинаелав• а значит, и величина фазового сдвига ле.Показанное на рис.3.15искажение распределения напря­женности электрического поля в диоде может привести и к бо­лее существенным изменениям всех физических процессов в при­боре.Если переменное напряжение на диоде достигает значения,примерно равного удвоенному пробивному. напряжению, то влавинной области создается столь плотный заряд электронов,что напряженность поля со стороны р+ -области понижаетсяпрактически до нуля, а в области базы повышается до уровня,достаточного для возникновения процесса ударной ионизации.В результате этого процесса слой лавинного умножения смеща­ется и формируется в области базы на фронте сгустка электро­нов.

Характеристики

Список файлов книги