Навигация
3 ПРИНЦИП РАБОТЫ ЛПД
Схематически механизм работы р-n ЛПД можно представить следующим образом. Рассмотрим для определенности запорный слой обратно смещенного плавного p-n перехода (рис. 7). Он представляет собой участок полупроводника, в котором практически отсутствуют подвижные носители заряда, а приложенная к р-n переходу разность потенциалов компенсируется полем объемного заряда ионов примеси Nn и Np, положительным в одной части запорного слоя (n-слой) и отрицательным — в другой (p-слой). Этот участок ограничен с обеих сторон нейтральными слоями полупроводника. Напряженность электрического поля Е максимальна в плоскости х=0, где объемный заряд ионов примеси меняет знак (плоскость технологического перехода). По мере увеличения напряжения смещения запорный слой расширяется и напряженность электрического поля возрастает. Когда поле в плоскости технологического перехода достигает некоторого критического значения Е = Еnp, начинается интенсивный процесс ударной ионизации атомов кристалла подвижными носителями заряда, приводящий к лавинному умножению числа носителей и образованию новых электронно-дырочных пар.
Область, где происходит рождение носителей заряда, ограничена более или менее узким слоем — так называемым слоем умножения, расположенным вблизи технологического перехода, где полемаксимально (рис. 7). Образованные в слое умножения электроны и дырки дрейфуют под действием сильного электрического поля к границе нейтрального полупроводника через пролетные участки запорного слоя, причем дырки движутся через р-слой, а, электроны через п-слой. Так как напряженность электрического поля в большей части р-п перехода очень велика, то скорость дрейфа носителей практически постоянна и не завялит от поля.
Рис. 7. Схема плавного р-п перехода ЛПД:
а) запирающий слой;
б) распределение ионов примеси;
в) измение электрического поля.
Таким образом, обратно смещенный р-п переход при напряжении, близком к пробивному, представляет собой диодный промежуток, в котором роль катода играет слой умножения, а роль пролетного пространства — остальная часть запорного слоя. Эмиссия такого катода носит ярко выраженный «полевой» характер — ток, выходящий из слоя умножения, возрастает или убывает в зависимости от напряженности электрического поля в этом слое. Лавинная природа тока эмиссии обусловливает его инерционность — для развития лавины требуется определенное время, так что мгновенное значение электрического поля определяет не саму величину лавинного тока, а лишь скорость его изменения во времени. Поэтому изменение тока не следует мгновенно за изменением электрического поля, а отстает от него по фазе на величину, близкую к p/2.
Такой р-п переход близок по свойствам к оптимальному варианту полевого диода, в котором ток эмиссии отстает от поля на четверть периода. Под действием приложенного к р-п переходу переменного напряжения из слоя умножения выходят «пакеты» носителей заряда, которые сразу попадают в тормозящее высокочастотное поле, так что энергия взаимодействия этих носителей с полем отрицательна почти при любой ширине р-п перехода. Отсутствие модуляции скорости носителей в этом случае лишь улучшает высокочастотные свойства диода.
Поэтому основные выводы о свойствах полевого диода с запаздывающей эмиссией, сделанные выше, применимы и к лавинно-пролетному диоду. Это касается, в частности, соображений о влиянии объемного заряда подвижных носителей на колебательные свойства генератора на лавинно-пролетном диоде. Попадая в пролетное пространство, основные носители частично нейтрализуют пространственный заряд ионов примеси и снижают поле в слое умножения. Этот эффект облегчает условия самовозбуждения генератора на частотах выше характеристической и препятствует возникновению паразитных колебаний на более низких частотах, где активное сопротивление диода положительно.
Вместе с тем, ЛПД имеет специфические особенности, связанные с лавинной природой тока, из которых принципиальной является одна: сдвиг по фазе между полем и током в слое умножения, вследствие конечной ширины последнего, как правило, превышает p/2, и слой умножения сам по себе уже обладает отрицательным сопротивлением. В большинстве практически реализуемых р-п структур этот эффект является второстепенным, однако для одного класса диодов он играет решающую роль, определяя основные особенности их высокочастотных характеристик.
Сдвиг фаз между током и напряжением на диоде определяется в этом случае инерционностью процесса ударной ионизации и пролетными эффектами во всем запорном слог. Вместе эти эффекты обеспечивают достаточно высокую эффективность взаимодействия носителей тока с высокочастотным электрическим полем, сравнимую с эффективностью взаимодействия в ЛПД других типов.
Наряду с лавинно-пролетным могут, очевидно, существовать и другие полупроводниковые диоды с динамическим отрицательным сопротивлением. Так, например, этим свойством должен в принципе обладать обратно смещенный р-п переход, в котором пробой связан не с ударной ионизацией, а с эффектом Зинера (туннельным эффектом). Так как участок, где происходит рождение подвижных носителей тока, в этом случае локализован в тонком слое, где электрическое поле максимально, такой полупроводниковый диод (его можно назвать «туннельно-пролетным диодом») должен быть, очевидно, аналогичен по своим свойствам, вакуумному диоду с автоэмиссионным катодом. Если возможно пренебречь инерцией туннельного эффекта, то в отличие от лавинно-пролетного диода в диоде Зинера ток и поле у «катода» следует считать синфазными. Как отмечалось выше, и в этом случае в определенных интервалах значений угла пролета носителей заряда активное сопротивление р-п перехода может быть отрицательным. Однако отсутствие запаздывания в механизме обратной связи, создаваемой объемным зарядом подвижных носителей, ухудшает условия самовозбуждения колебаний. Поэтому генераторы на диодах Зинера осуществить труднее, чем генераторы на лавинно-пролетных диодах.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Современная техника СВЧ немыслима без применения полупроводниковых диодов. Видеодетектирование, гетеродинное смешение, усиление слабых сигналов, генерация гармоник, коммутация СВЧ мощности – таковы функции, выполняемые в настоящее время полупроводниковыми диодами в СВЧ системах. Естественно, что такое многообразие применений приводит к многообразию требований, предъявляемых к характеристикам различных типов диодов. Чтобы удовлетворить этим требованиям, разработчик диодов имеет определенную свободу в выборе полупроводникового материала, из которого должны быть изготовлены диоды, его удельного сопротивления, технологии изготовления диода, его геометрии. Причем набор оптимальных электрофизических параметров полупроводникового материала и его геометрических размеров может быть сделан либо на основе эмпирического характера, либо на основе теории, дающей связь между электрофизическими параметрами полупроводника и его геометрическими размерами.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. А.С. Тагер, В.М. Вальд-Перлов. Лавинно-пролетные диоды и их применение в технике СВЧ. М., «Сов.радио», 1968.
2. С.Н. Иванов, Н.А. Пенин, Н.Е. Скворцова, Ю.Ф. Соколов. Физические основы работы полупроводниковых СВЧ диодов. М., 1965.
3. Пасынков В.В, Л.К. Чиркин, А.Д. Шинков. Полупроводниковые приборы и диэлектрики». М., «Высш. школа», 1973.
Похожие работы
... диодах используется явление ограничения подвижности электронов в электрических полях с напряженностью выше критической, и в их вольтамперных характеристиках имеется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Ла-винно-пролетные диоды работают в режиме лавинного размножения носителей заряда при обратном смещении электрического перехода. В диодах Ганна (в структуре этих приборов нет ...
... приводит к появлению сигнала на индикаторном устройстве. Минимальное регистрируемое виброперемещение зависит от собственных шумов генератора, его мощности и стабильности, а также от механической стабильности устройства. Бесконтактное измерение параметров вибраций резонаторным методом возможно и при включении приемно-передающей антенны в частотнозадающую цепь СВЧ генератора, т.е. при ...
... университете в 1986 году, в состав которого входят такие известные ученые, как профессора С.А.Гаряинов, В.П.Дьяконов, Л.Н.Степанова, Ф.Д.Касимов, Н.А.Филинюк, Л.И.Биберман и др. Автор понимает, что сделанный им исторический обзор, в связи со сложностью поставленной задачи, далеко не полный. Поэтому будет благодарен всем, кто внесет свои пожелания или критические замечания по теме статьи. Список ...
... материалы, но наибольшее распространение получили оксиды металлов переходной группы Д. И. Менделеева [от титана (порядковый номер 22) до меди (порядковый номер 29)]. Основные требования, предъявляемые к полупроводниковым материалам таких термисторов, определяются необходимостью обеспечить широкий диапазон номинальных сопротивлений, различный температурный коэффициент сопротивления, малый разброс ...
0 комментариев