29_kospect_electro (555831), страница 5
Текст из файла (страница 5)
СуществуютЛПД с различными видами полупроводниковой структуры: рассмотрим например структуры типа p+-n-i-n+ , вкоторой области лавинного умножения и дрейфа носителей, пространственно разделены (рис. 4.5). Электрическоеполе резко убывает в n-области и остается практически постоянным в i-области. В области LДр обеспечиваетсядрейф носителей со скоростью насыщения.Ток через диод идет до тех пор, пока носители движутся по области объемного заряда. Из-занесимметричности p-n - перехода, время движения носителей через область объемного заряда до относительнонизкоомной n-области, получается больше времени дрейфа дырок. Это время дрейфа электронов (время пролета)определяет на высоких частотах фазовый сдвигмеждупеременнойсоставляющейприложенного напряжения и проходящимтоком.
При определенном времени пролетаэлектронов области дрейфа появляетсяотрицательнаядифференциальнаяпроводимость ЛПД, при котором увеличениетокасопровождаетсяуменьшениемнапряженияи наоборот (см. временнуюдиаграмму напряжений и токов на рис.4.6).Помимообратногонапряженияблизкого к пробивному к диоду, приложенонапряжение с амплитудой Um, это создаетсяСВЧ резонатором, в который помещен ЛПД.НаибольшийконвекционныйтокIконвформируется в сечении структуры LЛ. Прифазовом сдвиге ωt=πвремя пролетаэлектронами области дрейфа составляет tдр =Qдр/ω = Lдр/vнас(здесь vнас - скоростьнасыщения ~105 м/с. Наведенный ток протекаетво внешней цепи в отрицательный период СВЧнаправления, что приводит к появлениюотрицательной электронной проводимости вЛПД.
Эта величина максимальна при θ=π,следовательно, оптимальная длинна областидрейфа определяется требуемой частотойгенерируемых СВЧ колебаний: Lдр=vнас/2f . Длякоротковолновой границы СВЧ диапазона Lдризменяется в пределах 3 - 10 мкм.Представленные структуры ЛПД изготовляютна основегермания, кремния и арсенида галлия. В СВЧ диапазоне на кремниевом ЛПДна частотах порядка 1ГГц реализованы как стационарные, так и импульсныережимы генерации с мощностью до нескольких сотен ватт и коэффициентомполезного действия около 40%.
На более высоких частотах (до 50 – 60 ГГц)достигнутые значения мощности в импульсном режиме не превышают 0,5 Втпри коэффициенте полезного действия 0,5 – 1 %.Трудности повышениямощности и эффективности генерации СВЧ колебаний связаны с тем, чтонапряжение на диоде должно иметь величину, не намного превышающуюкритическое напряжение пробоя.Шумы в ЛПД возникают из-за статического характера генерацииэлектронно- дырочных пар в слое умножения. ЛПД помещается врезонатор связанный с передающей линией.Лекция 5.
Полупроводниковые приборы на основе эффекта ГаннаМеждолинный переход носителей заряда в полупроводниках. Эффект Ганна. Пояснение механизмагенерации колебаний на основе представления о волнах пространственного заряда вполупроводнике. Определение диапазона частот колебаний в пролетном режиме работыгенератора Ганна. Режим ограничения накопления объемного зарядаМеждолинный переход носителей заряда. Зависимость энергии свободного электрона от величины егоимпульса определяется соотношениямиrrrrm 0V 2 m 02V 2P2W===22m 02m 0rrP = m 0Vгде V - вектор скорости свободного электрона m0 – его массаЗависимость энергии свободного электрона, находящегося в вакууме,от величины его импульса.
Это энергетическая диаграмма свободныхэлектронов в вакууме, изображенная в пространстве импульсов или вrrrпространстве волновых векторов K ( P = hK )На электрон в кристалле действует периодическое потенциальное полекристаллической решетки, поэтому свободный электрон вполупроводниковом кристалле считается свободным условно. Для описаниязаконов движения электрона в кристалле необходимо учесть влияниевнешних сил на электрон, изменив соответствующим образом значение егомассы, введя понятие эффективной массы электрона (дырки).Эффективная масса - это коэффициент пропорциональности всоотношении, связывающем внешнюю силу, действующую на электрон вкристалле, с его ускорением.Зона проводимости полупроводника может быть образована из нескольких перекрывающих между собойразрешенных энергетических зон.
Структура энергетических зон или энергетическая диаграмма в пространствеrввода импульсов (в K – пространстве) может иметь несколько минимумов.Структура энергетических зон арсенида галия в кристаллографическом направлении.Зона проводимости кроме центральной долины с минимумомэнергии при волновом векторе к=0 имеет еще боковые долины сминимумом энергии, которая отличается от предыдущего невеличину ∆W1.В законе проводимости арсенида галия могут существоватьэлектроны, обладающие одной и тойже энергией, но имеющие различные импульсы, а следовательно,и различные эффективные массыЕслиrrP12P22W==2me1 2me 2rrP1 < P2 , то me1 < me 2 , откуда µ1>µ2В полупроводнике (арсениде галия) могут существовать свободные электроны с разными подвижностями: «легкие» электроны с малой эффективной массой и «тяжелые» электроны с большой эффективной массой и смалой подвижностью в боковых долинах.В слабэх электрических полях почти все электроны имеют малые дрейфовые скорости и квазиимпульсы ипоэтому находятся в центральной долине.
В сильных электрических полях свободные электроны, приобретаядополнительную энергию, превышающую ∆W1, получают возможность перейти в долины. Там онихарактеризуются большой эффективной массой (станут тяжелыми) и малой подвижностью. По этой причинесредняя подвижность всех свободных электронов с увеличением напряженности электрического поляуменьшается (µ1 и µ2 могут отличаться в десятки раз)Рассмотрим полупроводниковые приборы, принцип действия которых основан на использованиимеждолинного перехода носителей заряда.Принцип действия генератора Ганна.
Генератор Ганна - это полупроводниковый прибор,предназначенный для преобразования энергии источника питания постоянного напряжения в энергиюсверхвысокочастотных электромагнитных колебании в результате возникновения в полупроводнике домена поддействием сильного электрического поля.Физические основы отрицательного дифференциального сопротивления примеждолинном переходе носителей заряда.Энергетическая диаграмма некоторых полупроводников (например арсенидагаллия Ga Ar) построенная в пространстве квазиимпульсов (К – пространстве) можетиметь несколько минимумов. В таком полупроводнике могут существоватьэлектроны с разными подвижностями («легкие» и «тяжелые»). При электрическомполе Е > Епор, электроны приобретая дополнительную энергию, превышающую ∆W1 переходят в боковые долиныи становятся тяжелыми.n1 – концентрация «легких» электронов µ1n1 + n 2 = n0n2 – концентрация «тяжелых» электронов µ2Если нет заметной ударной ионизации, n0 –равновесная концентрацияy = q ( n1 µ1 + n 2 µ 2 ) EПри слабых электрических полях n1 ≅ n0 (всеэлектроны находятся в центральной долине)I = qn0 µ1 E График зависимости I(E)для проводника с много долинной структурой зоны проводимостиПри сильных электрических полях (Е > Епор) почти все электроны приобретают добавленную энергию,большую ∆W1 и окажутся в боковой долине.
В этом случаеI = qn0 µ 2 E , что соответствует графику 3 вольтампернойхарактеристики. При средних направленностяхэлектрического поля ненамного превышающих Епор, плотностьтока определяется соотношением концентрации «легких» и«тяжелых» электронов (график 2 вольтампернойхарактеристики).Эффект Ганна (1963г. амер. Дж. Б. Ганн)Распределение электронов и направленностиэлектрического поля в кристалле электрического полягенератора Ганна в первый момент после подачипостоянного напряженияРаспределение электронов и направление электрическогополя в кристалле после формирования доменаПояснение к рис.1: 1 – при наличие электроновтолько с большой подвижностью (в центральной долине). 2переходной сраешок. 3 – при наличие электронов только смалой подвижностью µ1<<µ2 (в боковой долине).
4 – приналичие в кристалле локальных напряженностей, отличныхсредней напряженности электрического поля.Для возникновения отрицательногодифференциального сопротивления необходимодновременный переход большинства электронов изцентральной долины боковую при пороговойнапряженности электрического поля. Из-за неоднородностиэлектрического поля в кристалле и около выпрямляющихконтактов возникают локальные напряженности с напряженностью, превышающей среднюю. Поэтому это невыполняется и, статическая вольтамперная характеристика получается без участка 2Эффект Ганна – это возникновение электромагнитных колебаний в однородном кристаллеполупроводника при приложении к нему постоянного напряжения.Прибор на основе этого эффекта называется либо генераторами Ганна, либо диодами Ганна(хотя этиприборы и не имеют p-n – перехода)–отПринцип действия генератора Ганна.
На однородно генерированный кристалл, имеющий два невыпрямляющихконтакта(катод и анод), подано постоянное напряжение, создающее в кристалле напряженность электрическогополя, несколько меньшую пороговой напряженности. При этом все свободные электроны в кристалле«являются», и плотность тока через кристаллы имеет максимальное значение.I макс = qn 0 µ1 E 0 = qn 0V0Локальная напряженность электрического поля, около невыпрямляющих контактов из-за аналогииразличных дефектов может превышать пороговую напряженность электрического поля.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
