Шпоры по электронике!!! (555835), страница 5

1. ЛПД

Лавинно-пролетный диод — диод, основанный на лавинном умножении носителей заряда. Лавинно-пролетные диоды применяются в основном для генерации колебаний в диапазоне СВЧ. Процессы, происходящие в полупроводниковой структуре диода, ведут к тому, что активная составляющая полного комплексного сопротивления на малом переменном сигнале в определенном диапазоне частот отрицательна. Рабочей для лавинно-пролетного диода является область лавинного пробоя.Для изготовления лавинно-пролетных диодов используют кремний и арсенид галлия. Такие диоды могут иметь различные полупроводниковые структуры: p⁺-n-n⁺, p⁺-n-i-n⁺, m-n-n⁺ (m-n — переход металл-полупроводник), n⁺-n-p-p⁺ и другие. Распределение концентраций примесей в переходах должно быть как можно ближе к ступенчатому, а сами переходы — максимально плоскими. Рассмотрим в качестве примера p⁺-n-n⁺ структуру. Центральная слаболегированная n-область называется базой. При напряжении, близком к пробивному, обедненный слой p⁺-n-перехода распространяется на всю базу. При этом напряжённость электрического поля растет от n-n⁺-перехода к p⁺-n переходу, вблизи которого можно выделить тонкую область, в котором напряжённость превышает пробивное значение, и происходит лавинное размножение носителей. Образующиеся при этом дырки утягиваются полем в p⁺-область, а электроны дрейфуют к n⁺-области. Эта область называется слоем лавинного размножения. За его пределами дополнительных электронов не возникает. Таким образом, слой лавинного размножения является поставщиком электронов. При подаче на контакты диода переменного напряжения такого, что в течение положительного полупериода напряжение существенно больше, а в течение отрицательного — существенно меньше напряжения пробоя, ток в слое умножения приобретает вид коротких импульсов, максимум которых запаздывает по отношению к максимуму напряжения приблизительно на четверть периода (лавинное запаздывание). Из слоя умножения периодически выходят сгустки электронов, которые движутся через слой дрейфа в течение отрицательного полупериода, когда процесс генерации электронов в слое умножения прекращается. Движущиеся сгустки наводят во внешней цепи ток, почти постоянный в течение времени пролета. Таким образом, ток в диоде имеет вид прямоугольных импульсов. Этот режим работы диода называется пролетным. КПД этого режима не превышает 0,3. Если амплитуда переменного напряжения на диоде достигает значения, примерно равного пробивному напряжению, то в лавинной области образуется столь плотный объёмный заряд электронов, что напряжённость поля со стороны p+-области понижается практически до нуля, а в области базы повышается до уровня, достаточного для развития процесса ударной ионизации. В результате этого процесса слой лавинного умножения смещается и формируется в области базы на фронте сгустка электронов. Таким образом, в области дрейфа образуется движущаяся в

1. Диоды Ганна.

Д иод Ганна — тип полупроводниковых диодов, использующийся для генерации и преобразования колебаний в диапазоне СВЧ. В отличие от других типов диодов, принцип действия диода Ганна основан не на свойствах p-n-переходов, а на собственных объёмных свойствах полупроводника. Традиционно диод Ганна состоит из слоя арсенида галлия толщиной от единиц до сотен микрометров с омическими контактами с обеих сторон. В этом материале в зоне проводимости имеются два минимума энергии, которым соответствуют два состояния электронов — «тяжёлые» и «лёгкие». В связи с этим с ростом напряжённости электрического поля средняя дрейфовая скорость электронов увеличивается до достижения полем некоторого критического значения, а затем уменьшается, стремясь к скорости насыщения. Таким образом, если к диоду приложено напряжение, превышающее произведение критической напряжённости поля на толщину слоя арсенида галлия в диоде, равномерное распределение напряжённости по толщине слоя становится неустойчиво. Тогда при возникновении даже в тонкой области небольшого увеличения напряжённости поля электроны, расположенные ближе к аноду, «отступят» от этой области к нему, а электроны, расположенные у катода, будут пытаться «догнать» получившийся движущийся к аноду двойной слой зарядов. При движении напряженность поля в этом слое будет непрерывно возрастать, а вне его — снижаться, пока не достигнет равновесного значения. Такой движущийся двойной слой зарядов с высокой напряжённостью электрического поля внутри получил название домена сильного поля, а напряжение, при котором он возникает — порогового. В момент зарождения домена ток в диоде максимален. По мере формирования домена он уменьшается и достигает своего минимума по окончании формирования. Достигая анода, домен разрушается, и ток снова возрастает. Но едва он достигнет максимума, у катода формируется новый домен. Частота, с которой этот процесс повторяется, обратно пропорциональна толщине слоя полупроводника и называется пролетной частотой. При помещении диода Ганна в резонатор возможны другие режимы генерации, при которых частота колебаний может быть сделана как ниже, так и выше пролетной частоты. Наряду с арсенидом галлия для изготовления диодов Ганна также используется фосфид индия, на котором и была достигнута наиболее высокая частота колебаний в диодах Ганна - 170 ГГц. На рисунке приведена иллюстрация эффекта Ганна.

1. ВЧ выпрямительные диоды.

Выпрямительные высокочастотные диоды предназначены для нелинейного электрического преобразования сигнала на частотах до десятков и сотен мегагерц. Сигнал преобразуется за счет нелинейности ВАХ диода. Выпрямительные высокочастотные диоды используются в детекторах высокочастотных сигналов, смесителях, схемах преобразователей частоты, ограничителей, коммутационных элементов, нелинейных управляемых резисторов и т.п. Выпрямительные высокочастотные диоды универсальны по применению, т. е. могут выполнять все перечисленные функции. Статическими параметрами высокочастотных диодов являются те же параметры, что и у низкочастотных выпрямительных диодов. К динамическим параметрам относят граничную частоту работы f_гр, индуктивность диода L_д, емкость корпуса диода С_корп и барьерную емкость перехода С_бар при заданном напряжении смещения на диоде U_обр, сопротивление базы r_Б .

Предельно допустимые параметры диода — это максимально допустимый прямой ток I_{пр.макс} и максимально допустимое обратное напряжение (любой формы и периодичности) U_{обр.макс} на диоде. При работе на высоких частотах выпрямляющие свойства диода определяют не только сопротивление электрического перехода r_диф, но и сопротивление базы r_Б эмиттера r_Э, емкость перехода С_пер. При этом емкость перехода и сопротивление р- и n-областей, а также время жизни неосновных носителей в базе диода для получения преобразования сигнала желательно иметь минимальными. Один из методов улучшения частотных свойств диода — это снижение емкости перехода путем уменьшения площади контакта. Поэтому высокочастотные диоды — микросплавные или точечные с площадью контакта порядка 10^-5 см². Для уменьшения времени жизни носителей базу диода легируют золотом. Малая площадь и неоднородность структуры электрического перехода приводят к появлению на обратной ветви ВАХ диода плавно нарастающего участка обратного тока вплоть до напряжения пробоя. Ток на прямой ветви ВАХ при достаточно больших значениях ограничивается сопротивлением растекания базы r_Б. Оно часто больше сопротивления перехода, так как площадь электрического перехода диода чрезвычайно мала. Эквивалентная схема показана на рисунке на обороте. В схеме L_д — элемент индуктивности, учитывает индуктивности выводов и контактной иглы точечного диода; С_корп, С_бар, С_дф — конденсаторы, характеризующие наличие в диоде емкости корпуса, барьерной и диффузионной емкости перехода; r_диф, R_y и r_Б —резисторы, определяющие дифференциальное сопротивление и сопротивление утечки p-n-перехода, а также сопротивление базы диода. Обычно С_корп < С_пер, где емкость перехода C_пер = С_бар + C_дф.

н аправлении n⁺-области лавина, которая оставляет за собой большое количество электронов и дырок. В области, заполненной этими носителями, напряжённость поля понижается почти до нуля. Это состояние принято называть компенсированной полупроводниковой плазмой, а режим работы лавинно-пролетного диода — режимом с захваченной плазмой. В этом режиме можно выделить три фазы. Первая — образование лавинного ударного фронта, прохождение его через диод, оставляя его заполненным плазмой, захваченной слабым электрическим полем. Ток, текущий через диод в этой фазе, существенно увеличивается из-за дополнительного размножения носителей в базе, а напряжение на диоде за счет образования плазмы снижается почти до нуля. Вторая фаза — период восстановления. База диода в этой фазе наполнена электронно-дырочной плазмой. Дырки из области базы дрейфуют к p⁺-области, а электроны — к n⁺-области со скоростью значительно меньшей, чем дрейфовая скорость насыщения. Плазма постепенно рассасывается. Ток в этой фазе остается неизменным. Наступает третья фаза, характеризуемая высоким значением напряженности поля в диоде и предшествующая новому образованию лавинного ударного фронта. Наибольшую длительность имеет именно третья фаза. Процессы режима с захваченной плазмой протекают заметно дольше, чем процессы пролетного режима. Поэтому при работе в режиме с захваченной плазмой контур настраивают на меньшую частоту. КПД режима с захваченной плазмой при этом заметно выше КПД пролетного режима и превышает 0,5. На рисунке изображены графики, иллюстрирующие процессы при пролётном режиме работы ЛПД.