Шишкин Г.Г., Шишкин А.Г. - Электроника (1006496), страница 19
Текст из файла (страница 19)
Генерируемые электроны и дырки практически мгновенноизменяют распределение электричес:кого поля. Это приводит :ктому, что в пространстве дрейфа образуется движущийся в направлении к п+-области лавинно-ударный фронт, который оставляет за собой большое количество электронов и дырок, концентрациякоторыхстольвелика,чтонапряженностьполя3.16).В рездесь может понизиться практически до нуля (рис.зультате ионизации атомов полупроводника в области базы образуете.я: равное количество электронов и дырок (положительных и отрицательных зарядов).
Такое состояние принято называть компенсированной полупроводниковой плазмой, а режимработы ЛПД-режимом захваченной плазмы.11Захвачен.н.ая. плазмаРис.3.16х103Глава З. Полупроводниковые диодыВ иностранной литературе этот режим носит наименованиеТRАРАТТ-режима. Название образовано из начальных бу~ванглийской фразыTRApped Plasma Avalanche Triggered Transit(захваченная плазма, пробег области лавинного умножения).В этом режиме можно выделить три фазы. Первая фаза-образование лавинного ударного фронта. Лавинный фронт перемещаете.я в диоде со скоростью vФ, значительно превышающейдрейфовую скорость насыщени.я: vФ>vдр. нас· Таким образом,лавинный фронт быстро проходит через диод, оставл.я.я его заполненным плазмой, захваченной слабым электрическим полем.
Ток, текущий через прибор в этой фазе, существенно увеличиваете.я вследствие дополнительного размножени.я носителей в базе, а напряжение на диоде за счет образовани.я плазмыснижаете.я.Втора.я фаза-период восстановлени.я. База диода в этой фазезаполнена электронно-дырочной плазмой, а напряженность полязначительно меньше величины,соответствующей насыщениюдрейфовой скорости. Поэтому дырки из области базы дрейфуют кр+-области, а электроны- к п+-области со скоростью vпл• существенно меньшей, чем дрейфовая скорость насыщени.я. Происходит постепенное рассасывание плазмы.
Ток, текущий через прибор в этой фазе, остается неизменным; его величина определяетсяподвижностью носителей µп и µР, их концентрацией Р; иn;и напряженностью поля Рпл в области плазмы(3.7)С уходом носителей из базы диода поле в базе у переходов увеличивается со временем и постепенно наступает третья фаза, характеризуемая высоким значением напряженности поля в диодеи предшествующая последующему образованию лавинного ударного фронта.Из сказанного ясно, что все описанные процессы протекаютза время, превышающее время нарастания лавины и дрейфа носителей в базе при пролетном режиме.
Иначе говоря, период повторения процессов в режиме с захваченной плазмой существенно больше периода повторения импульсов тока в пролетномрежиме. Поэтому при работе в режиме с захваченной плазмойконтур настраивается на более низкую частоту и соответственночастота колебаний в этом режиме значительно меньше частотыгенерации в пролетном режиме.Раздел1041.ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫПомимо этого, режим с захваченной плазмой отличается более высоким значением КПД (болеелетным режимом (КПД~10% ).50%)по сравнению с проЭто объясняется главным образом повышенной плотностью тока при малом напряжении, чтохарактерно для большей части периода повторения продессов.3.8.
ДиодыДиод Ганна-Ганнаполупроводниковый прибор, принцип работыкоторого основан на использовании объемных свойств полупроводника. Этот диод не содержит ни р-п-переходов, ни какихлибо других границ раздела, кроме омических контактов. Основное назначение диода Ганнаработа в усилителях и гене-раторах электромагнитных колебаний СВЧ.Диод Ганна обычно выполняется из арсенида галлия п-типа ввиде пластинки или шайбы, в которую с двух противоположных сторон вплавляются омические контакты.
Диод помещается в герметичный керамический корпус, фланцы которого выполнены из металла и служат выводами прибора. Конструкциядиода Ганна рассчитана на включение в коаксиальный или волноводный тракты.Рассмотрим физические процессы, происходящие в диодеГанна.
В основе работы диода лежат физические явления, связанные с возникновением управляемого электрическим полемотрицательного дифференциального сопротивления в полупроводниках(GaAs, CdTe, InP, InSbи др.), зона проводимости ко-торых имеет два минимума энергии.Диаграмма энергетических уровней арсенида галлия показана на рис.3.17,где для кристаллографической плоскости<100> кристалла GaAs приведена зависимость энергии электронов Е в валентной зоне (В3) и зоне проводимости (3П) от волнового числа(р2х-импульс частицы, аl0- 34 Дж• с -постоянная Планка).Как видно, зависимость Е =етвk = р/ hh = 6,6 хf(k)имезоне проводимости два минимума, которые обычно называют до-k<100>Рис.3.17kлинами.
Обозначим низкую (узкую)долину цифройкую)-1, а верхнюю (широ2. ЭнергетическийцифройГлава3.Полупроводниковые диодызазор ЛЕ между долинами равентер зависимости Е= f(k)105эВ. Как известно, харак0,36определяет величину эффективноймассы частицы1/т*=д 2 Е/др 2 •(3.8)Отсюда следует, что эффективная масса частицы т; в нижней долине меньше эффективной массы частицы т; в верхнейдолине.
ДляGaAsэффективная масса т;покоя электрона), а масса т;=О,07т 0 (т 0 -=масса1,2т 0 • Вследствие разлиЧия эффективных масс существенно отличаются и подвижности электронов в нижней и верхних долинах: в долиневысокую подвижность (µ 1= 0,8 м 2 /(В •с)),1электроны имеюта в долине2-низкую2(µ 2 = 0,01 м /(В• с)).РассмотримкристаллаженностьюповедениеS.электроноввзонепроводимостипомещенного в электрическое поле с напряGaAs,Как известно, плотность дрейфового тока определяется соотношениемj =S-где енов;enµS,(3.9)заряд, п-концентрация иµ-подвижность электронапряженность электрического поля.Если все свободные электроны находятся в нижней долине(п=п 1 ), то(3.10)и зависимостьj= f(E)имеет вид прямой1,показанной на рис.3.18.Если бы все электроны находились в верхней долине (п = п 2 ), то(3.11)и, вследствие их более низкой подjвижности (µ 2 < µ 1 ), зависимость j == f(S) была бы иной (прямая 2 нарис.
3.18).В реальных условиях при слабых электрических полях электроны находятся в термодинамическомравновесии с кристаллической решеткой полупроводника и занима-Рис.3.18Раздел1061.ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫют в основном энергетические уровни нижней долины. С увеличением напряженности пол.я электроны,находящиеся в нижней долине, приобретают дополнительную энергию, и когда ихэнергия возрастет на величину, равную ЛЕ= 0,36 эВ,становите.я возможным переход электронов в верхнюю долину. Назовемзначение напряженности электрического пол.я, при котором начинаете.я этот процесс, критической напряженностью электрического пол.я Бкр· Дл.яGaAsБкр""3 кВ/см.Энергия свободныхэлектронов в кристалле распределена в соответствии с законамистатистики.
При некотором значении напряженности электрического пол.я, называемом пороговым Бпор (Рпор>Ркр), большинство электронов из первой долины nереходят во вторую, и дальнейшее возрастание пол.я б не приводит :к существенному увеличению :количества электронов во второй долине (при условии,что эле:ктрическ:Ий пробой в кристалле отсутствует).Таким образом, можно считать, что дл.я электрических полей б < Ркр иS>Sпор плотность тока через полупроводник описывается соответственно формулами(3.10)и(3.11).При напряженностях электрического поля Sк~ < б < Рпор электроны находятся как в нижней, так и верхних долинах и плотность токаjв кристалле определяете.я :как сумма плотностей токов за счетдрейфа электронов в обеих долинах:(3.12)где п =п1+ п2 -:концентрация электронов в зоне проводимости, а средняя подвижность электронов в обеих долинах даете.яформулой(3.13)Характер зависимостиj =f(б) в интервале изменения напряженности поля от Ркр до Рпор зависит от ряда условий и соотношения величин, входящих в формулуусловиях зависимостькривойj=(3.12).В определенныхf(б) может иметь вид, описываемый3 на рис.
3.18. При этом кристалл арсенида галлия в некотором интервале энергий характеризуется отрицательным дифференциальным сопротивлением, так как на этом участке с увеличением напряженности пол.яS плотность тока jВ иных условиях зависимостьj =уменьшаете.я.f(б) может не иметь областис отрицательным дифференциальным сопротивлением (криваяна рис.3.18).4Условия возникновения области с отрицательным,107Глава З.
Полупроводниковые диодыдифференциальным сопротивлением можно установить, дифференцируя соотношение(3.12) по Sи полагая дj/дб <О.Анализ полученного таким образом выражения позволяетсформулировать следующие условия получения зависимости= f({j)j =с областью отрицательного дифференциального сопротивления:разность ЛЕ между минимальными значениями энергии в1)первой и во второй долине должна быть больше энергиитеплового движения носителей, чтобы в отсутствие внешнего электрического поля большинство носителей находилось в нижней долине зоны проводимости;2)величина интервала ЛЕ должна быть меньше ширины за·прещенной зоны ЛЕ 3 , так как при невыполнении этого условия произойдет электрический пробой до того, как носители начнут переходить в верхнюю долину;подвижность электронов в верхней долине должна быть3)много меньше их подвижности в нижней долине.В полупроводнике, обладаю-щем БАХ j= f({j)отрицательногос областьюдифференциа)ального сопротивления, произвольная флуктуация плотностикатоданодЛIтока в любой точке кристалила приводит к возникновениюнестабильности объемного за+-иб)ряда.Рассмотримпроцессыфизическиевозникновенияохиразвития такой неустойчивостиобъемногорис.3.19,заряда.арсенида галлия длинойкоторомуНаа показан кристаллподключенl,кисточник внешнего напряжения И.концент1рация свободных электронов23Предположим,чтово всем объеме кристалла одинакова и все электроны нахохг) -рдятся в нижней долине.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
