17.1.2. Приборы на твердом теле

Полупроводниковые приборы, которые долгое время применялись на СВЧ [452] только как детекторы, смесители или преобразователи частоты с понижением, в настоящее время стали использоваться и как малошумящие усилители. Частотный диапазон обычных транзисторов был расширен до 1 Ггц [376, 530, 578, 647]. Такие полупроводниковые приборы, как туннельный диод [278, 362, 415, 466, 524], в котором используются резкие переходы, изготовлены из материалов с большой добавкой примесей (легированием), так что примесные уровни вместе с уровнем Ферми образуют зону, которая примыкает или даже частично перекрывает зону допустимых уровней. Вычисления, основанные на плотности числа состояний, например, чистого германия, показывают, что уровень Ферми лежит на выше края зоны.

Обращаясь к рис. 17.2, а, рассмотрим сначала случай отсутствия приложенного напряжения, т. е. состояние Электрон из -области, приближающийся к барьеру слева, замедляется возникшим на переходе полем. Вообще говоря, он отражается от барьера, однако существует небольшая, но все же конечная вероятность того, что благодаря эффекту квантомеханического проникновения [507] он пройдет через барьер и окажется в другой зоне. На самом деле плотность передаваемого таким образом тока очень велика, до Электроны из области также замедляются по мере приближения к барьеру и некоторые из них проникают в зону проводимости. При отсутствии приложенного напряжения два встречных тока компенсируются, причем величина каждого из них определяется расстоянием от уровня Ферми с одной стороны перехода до края запрещенной зоны с другой стороны перехода. Небольшое обратное смещение (состояние 11 на рис. 17.2, а), прикладываемое к обедненному (носителями) слою, смещает края зон таким образом, что обратный ток увеличивается, а прямой ток остается примерно постоянным. При небольшом прямом смещении (состояние 111) обратный ток уменьшается, а прямой ток изменяется лишь незначительно. Общий ток достигает максимума, когда обратная составляющая уменьшается до нуля; затем он спадает, так как

запрещенная зона начинает блокировать прямую составляющую тока и, наконец, опять возрастает, так как становится существенной нормальная инъекция неосновных носителей через барьер.

Измеренная характеристика по постоянному току, приведенная на рис. 17.2, б, относится к германиевому диоду, который был изготовлен путем вплавливания капли, состоящей из цинка с примесью 1/2% индия и 1/2% галлия, размерами в базу из германия с удельным сопротивлением и с концентрацией примесей (мышьяка)

Рис. 17.2. Усиление туннельными диодами: а — энергетические зоны в полупроводнике; б - характеристика по постоянному току; в — головка для полосковой линии на (См. [421].)

На рисунке видно, что в результате туннельного эффекта [146, 349] возникает область с отрицательным сопротивлением.

Такие диоды имеют очень хорошие высокочастотные характеристики, так как туннелирование осуществляется основными носителями и не ограничено временем дрейфа неосновных носителей; в то же время при низком напряжении смещения рассеиваемая мощность невелика. На эквивалентной схеме, показанной на рис. 17.2, б, диссипативное сопротивление меньше отрицательного сопротивления емкость перехода С для диаметра перехода равна приблизительно и, таким образом, высокочастотное Полное сопротивление диода исключительно мало. Для типичной схемы усилителя коэффициент усиления и полоса пропускания связаны соотношением

Наивысшая частота, на которой в схеме возможно самовозбуждение, равна

где суммарное диссипативное сопротивление схемы. Влияние концентрации носителей на частотные характеристики показано в табл. 17.1.

Таблица 17.1 Влияние концентрации электронов на постоянную времени туннельных диодов

При измерениях на частоте [85, 86] получены коэффициент усиления 0 дб, полоса пропускания и коэффициент шума около эти результаты согласуются с вычисленными значениями. Туннельные диоды могут работать [375] в диапазоне СВЧ, если последовательная индуктивность головки достаточно мала.

Удобная головка, использующая полосковую линию, показана на рис. 17.2, в. С обеих сторон тонких керамических опор прикреплены никелевые ленты. Диод укреплен в отверстии диаметром между опорами, причем база припаивается к нижнему электроду, а вплавленная капля — к верхнему. Для повышения механической прочности внутреннее пространство заполняется пластмассой, например аралдитом. Была исследована работа туннельных диодов в качестве смесителей [61, 87] и генераторов [70, 448, 521, 527, 528], но большинство работ посвящено их использованию в качестве малошумящих усилителей [522, 526, 580, 628, 637]. Когда были разработаны способы каскадного включения [94] и расширения полосы [382, 548], стало необходимым применение входных циркуляторов [509]. Туннельные диоды обладают дробовым шумом, зависящим от его отрицательного сопротивления, и тепловым шумом, определяемым паразитным последовательным сопротивлением. Анализ, основанный на различных эквивалентных схемах [85, 86, 213, 323, 523, 525, 574, 595], дает значение коэффициента шума 3 и 7 дб для рабочих частот, составляющих соответственно 0,7 и 0,9 от предельной частоты. Усилитель на германиевом диоде, работающий на частоте имел коэффициент усиления 23 дб при полосе пропускания и коэффициенте шума 7 дб. Подобные диоды работали [543] на частотах вплоть до Диоды изарсенида галлия [529] позволили создать усилитель, работающий на частотах вплоть до В качестве усилителей применяются также триоды с туннельной эмиссией [306], использующие металлические пленки с изолирующими прокладками.

Для усилителей СВЧ был предложен также полупроводниковый диод [357], на который подается такое напряжение смещения, что

в относительно слаболегированной области образуется слой пространственного заряда (обедненный слой) фиксированной ширины, граничащий с двумя сильнолегированными областями. Один из возможных материалов имеет структуру где знак обозначает сильное легирование. На одном из концов области пространственного заряда электронное поле обладает максимумом, где за счет внутренней вторичной эмиссии или лавинного пробоя образуются пары электрон-дырка. Дырки (или электроны) передвигаются с постоянной скоростью через область пространственного заряда, в результате чего возникает ток через диод. Величина поля в пространстве дрейфа такова (несколько более что вне зависимости от поля носители перемещаются с постоянной скоростью. Проводимость в основном определяется дырками, скорость передвижения которых в кремнии равна Время пролета дырок через область пространственного заряда сумме со временем возникновения лавины приводит к задержке высокочастотного тока по отношению к высокочастотному напряжению приблизительно на полпериода. Таким образом, проводимость диода отрицательна, и если поместить диод в индуктивную сверхвысокочастотную полость, настроенную в резонанс емкостью диода, то будет получено усиление. Для ширины слоя см время пролета равно сек, что дает рабочую частоту расчетная выходная мощность составляет Рабочая частота может лежать в диапазоне при отрицательной добротности 10 и к. п. д. 30%. Был предложен ряд других двухполюсных диодов с отрицательным сопротивлением [403].

В новом классе усилителей СВЧ используется [264, 265, 266, 286, 604] то обстоятельство, что при достаточно большой кинетической энергии эффективные массы носителей заряда в полупроводнике становятся отрицательными. Под воздействием приложенной силы частица с отрицательной массой ускоряется в направлении, противоположном действию силы. Электрически это означает, что-в кристалле, содержащем носители с отрицательной массой, электрический ток течет против электрического поля. Другими словами, носители обладают отрицательной подвижностью, а кристалл — отрицательным сопротивлением, вследствие чего становится возможным усиление.

Источником энергии для этого процесса является электрическое поле, ускоряющее носители до тех пор, пока они не приобретут отрицательную массу. Такие усилители с отрицательной массой должны обладать широкой полосой и работать на предельных частотах до причем предел определяется частотой столкновений. Во избежание лавинного усиления [288] и оптико-фононного рассеяния [404] необходимо, чтобы отрицательная масса возникала бы при достаточно низких энергиях. Для свободных электронов, зависимость энергии от волнового числа является параболической, а изоэнергетические поверхности в пространстве момента количества движения представляют собой сферы. Существование

отрицательных масс с эффектом параллельного поля связано с сильным отклонением от. параболической зависимости, что видно на рис. 17.3, а. При эффекте пересекающегося поля, кроме того, частично деформируются энергетические контуры, как показано на рис. 17.3, б, для тяжелых дырок в германии и кремнии. Эффективная масса для любого направления, перпендикулярного оси, отрицательна для всех носителей [100], так как они лежат внутри конуса; угол полураствора конуса равен 15° для германия и 12,5° для кремния.

Рис. 17.3. Усилитель с отрицательной массой носителей: а — непараболическая зависимость энергии; б - изознергетическне уровни для тяжелых дырок; в — монтаж в усилителе с бегущей волной; монтаж в резонаторной головке. (См. [265].)

В состоянии равновесия носители с отрицательной массой составляют 3,5 и 2,4% от общего числа тяжелых дырок, соответственно в германии и кремнии.

В качестве материала для усилителя могла бы служить пластинка из германия -типа, вырезанная в параллельном направлении [100] так, чтобы толщина ее не превышала глубины проникновения тока. Пластинка устанавливается либо вдоль волновода с колебаниями вида как показано на рис. 17.3, в, образуя при этом усилитель бегущей волны, либо поперек волновода, как показано на рис. 17 3, г, где получается объемный резонатор. В любом случае по известному отрицательному сопротивлению материала и омическим потерям в проводниках можно рассчитать коэффициент усиления. В разд. 7.4 было показано, что явление отрицательной массы можно наблюдать [138] при циклотронном резонансе; оно проявляется либо в виде спектра излучения вокруг циклотронной частоты, либо в виде ослабления интенсивности поглощения на этой частоте.

Теория [303] показывает, что, в сущности, излучение будет наблюдаться лишь в довольно специфических условиях, например [236], для германия и кремния с искривленными полосами необходимое условие может соответствовать перераспределению вдоль изоэнергетических уровней в условиях теплового равновесия.

Существование носителей с отрицательной массой в германии было продемонстрировано при 4° К, причем индукция В была параллельна оси [100], а электрическое поле ортогонально ей. Был замечен небольшой провал при значениях соответствующих частоте, равной 70% от нормального резонансного значения; частота равнялась а электрическое поле имело круговую поляризацию, направление вращения которой было противоположно тому, которое необходимо для дырок с положительной массой. Таким образом, если циклотронный резонанас происходит вместе с воздействием постоянного ускоряющего электрического поля, то носители с положительной массой «выбиваются из ритма» и их эффективность падает. Избыточные шумы в усилителях с отрицательной массой должны быть малы.