10.3. Физика лавинно-пролетных диодов (ЛПД)

Лавинные и инжекционные барьерные приборы представляют собой двухполюсники, изготовляемые из Ge, GaAs и, возможно, наиболее часто из Впервые (или -структуру ЛПД предложил Рид [45]. Лишь через несколько лет идеи Рида подтвердились, когда Джонсон с сотр. [28] смогли продемонстрировать работающий прибор. Более современные ЛПД отличаются от предложенного Ридом прибора тем, что они имеют структуру хотя принципы действия в основном те же самые, какие излагал Рид. Плазменные ЛПД имеют схожую с ЛПД структуру, но работают в другом режиме колебаний. Первыми этот режим продемонстрировали Прейджер с сотр. [44], но теоретическое объяснение полученных ими результатов было опубликовано лишь примерно через два года [3, 9]. Третий тип прибора, рассматриваемый ниже, — инжекционно-пролетный диод (ИПД), основным механизмом которого является скорее пробой посредством инжекции носителей, чем лавинный пробой. По сравнению с ЛПД инжекционно-пролетный диод — малошумящий прибор. Это связано с тем, что лавинный процесс в ЛПД приводит к появлению дробового шума, усиливающегося с коэффициентом усиления устройства, тогда как дробовой шум ИПД имеет тенденцию к определенному ослаблению из-за сглаживающего действия пространственного заряда. С другой стороны, ИПД сам по себе менее эффективен, чем ЛПД.

10.3.1. Лавинно-пролетный диод (ЛПД)

На рис. 10.3, а показана структура -ЛПД с приложенным обратным смещением. Будем считать, что в отсутствие лавины обратное смещение достаточно высоко для полного обеднения носителями -слоя, или, другими словами, считаем, что диод работает в режиме пробоя. Таким образом, плотность заряда в -слое равномерна и равна концентрации доноров и, следовательно, электрическое поле Е по всему слою линейно

зависит от расстояния с тангенсом угла наклона

Профиль поля схематически изображен на рис. 10.3, б. Далее, процесс лавинного усиления сильно зависит от напряженности поля. Эту зависимость можно оценить, рассматривая коэффициент ионизации а, который зависит от поля следующим образом:

где постоянная, а показатель лежит в пределах 1—2. Вследствие сильной зависимости окорости ионизации от поля лавинное умножение в ЛПД происходит в локализованной зоне вблизи максимального значения поля. Типичная толщина этой зоны составляет [18]. В остальной части -слоя, обозначенной как область дрейфа, поле слишком мало для ионизации, хотя еще достаточно велико, чтобы носители в этой области двигались с предельной скоростью дрейфа.

Рис. 10.3. Структура -ЛПД (а) и профиль электрического поля в -области (б).

Подробные теории поведения зависимости тока от напряжения в ЛПД сложны и выходят за рамки данного изложения. Однако следующее качественное описание дает приемлемое объяснение физических процессов в приборе. Оно также раскрывает в общих чертах механизм генерации мощности, а это — основа применимости ЛПД в качестве источника СВЧ в таких приложениях, как накачка в параметрическом усилителе и гетеродин в радиолокаторе.

Для упрощения полагаем, что предельные скорости дрейфа дырок и электронов одинаковы и равны что полями пространственного заряда, обусловленного свободными носителями, можно пренебречь и что ионизация дырок и электронов происходит с одинаковой скоростью. Больше того, считаем, что ширина лавинной зоны не зависит от напряжения, приложенного к диоду. Тогда время пролета носителя через лавинную зону

Рис. 10.4. а — колебания падения напряжения в лавинной зоне относительно напряжения пробоя б - лавинный ток; в — наведенный ток приблизительно прямоугольной формы с подъемами, ширина которых равна времени пролета

В устойчивом состоянии пробой происходит в лавинной зоне, протекает постоянный ток и падение напряжения в лавинной зоне равно Теперь предположим, что напряжение диода меняется со временем, так что падение напряжения в лавинной зоне колеблется около как показано на рис. 10.4, а. При лавинный ток растет, а при ток уменьшается, как показано на рис. 10.4,б. Острые пики лавинного тока являются следствием выраженной нелинейной природы механизма токообразования. Заметим, что пики лавинного тока наблюдаются в таких точках, где характеристика напряжения сигнала пересекает штриховую прямую, соответствующую сверху вниз. Таким образом, пики лавинного тока сдвинуты относительно пиков напряжения так, как это характерно для индуктивного элемента. Лавинный ток часто называют индуктивнымхотя эквивалентная индуктивность сильно нелинейна.

Полный ток ЛПД в значительной степени отличается от лавинного тока. Он состоит из двух составляющих, наведенного тока и емкостного тока, причем последний является средним током смещения через обедненный -слой. Далее, емкостной ток чисто реактивный (т. е. связан интегральной зависимостью с напряжением) и, следовательно, не вносит вклада в поток мощности из прибора. По-другому обстоит дело с наведенным током, который дает основную Фурье-компоненту в противофазе с напряжением, как показано на рис. 10.4, в. Таким образом, на частотах около

лавинной частоты диод ведет себя как отрицательное сопротивление и, вместо того чтобы поглощать мощность, подобно положительному сопротивлению, генерирует ее. Если прибор включен в соответствующий резонансный контур, спонтанные флуктуации напряжения и тока, инициированные тепловой энергией в диоде, нарастают. Когда это происходит, мощность постоянного тока преобразуется в мощность СВЧ и ЛПД работает как высокочастотный генератор. Этот процесс не очень эффективен, однако типичная эффективность достигает 10%, причем генерация сопровождается выделением большого количества тепла, которое нужно отводить от прибора с помощью теплопоглощающей подложки.

Принципиально важный фактбр в процессе генерации мощности — это наведенный ток. Важные свойства, характеризующие форму сигнала этой составляющей тока, можно понять из следующего рассуждения.

Сигнал лавинного тока на рис. состоит из последовательностей импульсов, настолько узких, что их форма не имеет значения. Таким образом, каждый импульс можно просто аппроксимировать дельта-функцией, и в этом случае лавинный ток имеет вид

где заряд, соответствующий одному импульсу тока. Если будем рассматривать только один из этих импульсов, то увидим, что он связан с импульсом заряда дырок уходящим из лавинной зоны через контакт в крайней левой области -слоя, и импульсом заряда электронов — уходящим из лавинной зоны направо. Импульс заряда дырок немедленно проходит через -контакт, после чего происходит рекомбинация, вызывающая появление очень малого наведенного тока; импульс заряда электронов не столь быстро достигает -контакта, так как ему приходится перемещаться через обедненный слой, или зону дрейфа (рис. 10.3, б). В этом случае наведенный ток течет во внешнем контуре в течение времени за которое электроны пересекают зону дрейфа. Величину обычно называют временем пролета. Можно показать, что если электроны дрейфуют с предельной скоростью и рекомбинация в -слое незначительна, величина наведенного тока равна Таким образом, форма наведенного тока более или менее прямоугольная, как показано на рис. 10.4, в, с подъемами и впадинами, находящимися в противофазе с подъемами и впадинами напряжения. Именно это явление мы имели в виду, когда говорили, что ЛПД ведет себя, как отрицательное сопротивление.

ЛПД уделяется большое внимание в литературе. В середине с этим прибором был проделан большой объем работы, и специальный выпуск журнала IEEE Trans. Elect. Dev., ED-13, № 1 (1966) был целиком посвящен приборам с объемными эффектами и пролетным приборам. Из более поздних сообщений о физике ЛПД читателю можно рекомендовать работы Мисавы [41] и Кэрролла [7].