Пасынков.Полупроводниковые приборы (1084497), страница 37
Текст из файла (страница 37)
Когда с понижением частоты переменного напряжения фазовый сдвиг между током и напряжением будет составлять четверть периода, условия отрицательного дифференциального сопротивления будут выполняться на протяжении только половины периода, чередуясь через каждые четверть периода с условиями положительного дифференциального сопротивления (рис. 3.58, б). В этом предельном 174 случае в среднем за период лавинно-пролетный диод не будет обладать отрицательным дифференциальным сопротивлением. Аналогично с повышением частоты переменного напряжения отрицательное дифференциальное сопротивление пропадает прн фазовом сдвиге между током и напряжением, достигающем 270'.
Таким образом, лавинно-пролетные диоды обладают отрицательным дифференциальным сопротивлением только для СВЧ- колебаний. Всякий прибор с отрицательным дифференциальным сопротивлением может быть использован для генерации и усиления электромагнитных колебаний. Лавинно-пролетные диоды используют Е для генерации СВЧ-колебаний большой мощности. При этом не обяза- йу тельно подавать на лавинно-пролетный диод переменное напряжение необходимой частоты, что мы мысленно делали яри рассмотрении принципа действия прибора. Лавин. но-пролетный диод вместе с резонансной камерой, в которую его р+ и пе обычно помещают, способен выде- ЛИТЬ ИЗ ИМПУЛЬСОВ, ВОЗНИКавщИХ ВО РНС.
Зчзз. РаСПрсдЕЛЕННЕ Наирявремя подачи постоянного смеще. женности электрического поля в Ння, И уСИЛИтЬ КОЛЕбаиня ОПрЕдЕЛЕН- слаб~~~"Ч~~аниой и-области иой частоты. менты времени при работе ла Лавинно-пролетные диоды впер- винно.пролетного диода в режнвые были созданы в СССР на осно- ме с аахвачениой плазмой ве открытого А. С. Тагером с сотрудниками эффекта генерации и усиления СВЧ-колебаний при лавинном пробое. Кроме рассмотренного лавинно-пролетного режима работы, который в английской литературе называют !МРАТТ-режимом (сокращение от ппрас( ьэпгда1юп ауа!апс(те 1гап811 1(тпе), лавинно-пролетные диоды могут работать и в режиме с захваченной плазмой или ТЙАРАТТ-режиме (1гарреб р(азгпа ауа!апсЬе 1г)ддегеб 1гап811).
Принцип действия при этом режиме работы связан с тем, что скорость перераспределения электрического поля в структуре диода может значительно превышать скорость дрейфа носителей заряда. На рис. 3.59 показано распределение напряженности электрического поля в слаболегированной и-области р+-и-и+- структуры лавинно-пролетного диода в различные моменты времени после включения диода на обратное напряжение, превышающее пробивное напряжение. В первый момент (гг) напряженность электрического поля максимальна около металлургической границы.
Именно здесь из-за ударной ионизации начинается образование электронно-дырочной плазмы. Это приводит к перераспределению электрического поля в п-области. 175 В следующий момент времени (!т) ударная ионизация будет происходить в соседнем слое и-области. Скорость дрейфа носителей заряда ограничена даже в сильных электрических полях скоростью насыщения (см. рис.
!.13). Скорость дрейфа электронов плазмы может оказаться значительно меньше скорости насыщения, если напряженность электрического поля в слое с плазмой успеет уменьшиться. Перераспределение напряженности электрического поля может произойти быстрее, если источник питания диода обеспечит большую плотность тока через диод (с учетом плотности тока смещения), что подтверждает формула (1.32), н если концентрация примесей в слаболегированной области будет достаточна мала. В результате фронт волны ионизации быстро пересекает всю п-область, которая заполняется высокопроводящей электроннодырочной плазмой.
Напряженность электрического поля в это время (ув на рис. 3.59) и напряжение на диоде становятся малыми, что приводит к относительно медленному рассасыванию носителей плазмы из р-и-перехода. Задержка экстракции носителей из р-и-перехода обусловила название ирежим с захваченной плазмой». Так как скорость направленного движения носителей заряда в лавинно-пролетных диодах в режиме с захваченной плазмой значительно ниже скорости насыщения, то частота генерируемых колебаний обычно не превышает 10 ТГц, в то время как при лавинно-пролетном режиме эта частота может составлять несколько сотен гигагерц.
другие отличия в свойствах и параметрах при различных режимах работы вызваны тем, что при лавинно-пролетном режиме уменьшение скорости дрейфа ниже скорости насыщения нежелательно, а при режиме с захваченной плазмой — наоборот. Поэтому большая амплитуда колебаний может быть получена в режиме с захваченной плазмой— до нескольких сотен киловатт при импульсной работе (при непрерывной работе — до нескольких ватт). А так как напряжение на диоде оказывается малым при больших токах и, наоборот, большим прн малых токах, то КПД достигает 40% для диодов из арсеннда галлия и кремния. Лавинно-пролетные диоды имеют высокий уровень шума, присущий ударной ионизации, так как небольшие беспорядочные отклонения тока (дробовбй шум) через электрический переход усиливаются при ударной ионнзации в число раз, равное коэффициенту лавинного размножения М.
Поэтому лавинно-пролетные диоды применяют только для генерации СВЧ-колебаний и пе используют для усиления слабых сигналов. Поэтому же лавинный пробой используют для создания шумовых диодов. 1 здр. тунийльный й(моды Структура и принцип действия тумнтльпмй дпед — ме неаупреиедипкевмй диод на есюпе пмремдеинего пепупреаедпнка, п ююрем туинельный аффект приводит к пенвпснню на юла-амнсрюй карактсрнстнкс прн прпмом нанрнжсннн участка отрицательией днффмреициапыюй препаднместн. В отличие от всех остальных полупроводниковых диодов для изготовления туинельных диодов используют полупроводниковый материал с очень высокой концентрацией примесей (1О'а...(0" см ').
Следствием высокой концентрации примесей в прилегающих к р-и-переходу областях является, во-первых, р и и и Рис. З.ав. ВАХ н внергетниескне диаграммы туннельного диода при. и — отсутствии напряженна, 6 — небольшом прямом напряжении. в — пиковом напряжении; г — напряжении, соответсгвуююем отрикагсльнону дифферениналь.
ному сопротивлению; д — напряжении впадины. е — напряжении раствора амвываюшем аиаяигельнми внжекпионвмб ток; ж обратном напряжении малая толщина перехода (около 10 т мкм), т. е. на два порядка меньше, чем в других полупроводниковых диодах. Сквозь такие тонкие потенциальные барьеры возможно туннелирование носителей заряда (см. $1.10).
Другим следствием большой концентрации примесей является расщепление примесных энергетических уровней с образова- !77 нием прнмесиых энергетических зон, которые примыкают к зоне проводимости в л-области и к валентной зоне в р-области. Уровни Ферми при этом оказываются расположенными в разрешенных зонах (рис, 3.60). В диоде без внешнего напряжения существует туннелирование электронов из и-области в р-область и обратно. Встречные потоки электронов равны, поэтому суммарный ток через диод равен нулю (рис. 3.60, а). При небольшом прямом напряжении на туннельном диоде происходит уменьшение высоты потенциального барьера р-л-перехода или смещение энергетической диаграммы л-области относительно энергетической диаграммы р-области.
Свободные энергетические уровни р-области (занятые дырками), расположенные непосредственно над уровнем Ферми, оказываются на одной высоте по энергетической диаграмме или прн одних и тех же значениях с энергетическими уровнями л-области, занятыми электронами (рис. 3.60, б). Поэтому будет происходить преимущественное туннелироваиие электронов из и-области в р-область. При прямом напряжении на диоде, когда свободные энергетические уровни валеитиой и примесной зон р-области окажутся на одной высоте с занятыми электронами энергетическими уровнями зоны проводимости и примесной зоны л-области, туннельный ток через диод будет максимальным (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
