Лавинно пролетный диод реферат

Обновлено: 30.06.2024

Образование лавины — это ряд последовательных процессов ионизации атомов полупроводника, причем скорость генерации электронно-дырочных пар в области размножения носителей зависит от напряженности электрического поля и концентрации частиц. Поэтому число размноженных носителей и, соответственно, объемный заряд г/0 достигают максимальной величины лишь по истечению некоторого времени Д? лав после… Читать ещё >

Лавинно-пролетные диоды. Электроника ( реферат , курсовая , диплом , контрольная )

Принцип работы лавинно-пролетных диодов (ЛПД) основан на возникновении отрицательного сопротивления в результате использования процессов лавинного умножения носителей и времени их пролета через полупроводниковую структуру при наличии на электродах помимо постоянного также и переменного напряжения.

Появление отрицательного сопротивления связано с фазовым сдвигом между током и напряжением. Необходимо подчеркнуть, что статическая ВАХ ЛПД не отличается от характеристик обычных диодов и, следовательно, на ней отсутствует участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Отрицательное сопротивление реализуется только в динамическом режиме, когда на электродах одновременно присутствуют постоянное обратное смещение и переменное напряжение. ЛПД работают при подаче обратного напряжения, близкого к напряжению пробоя.

Рис. 3.11.

Рис. 3.11.

при подаче постоянного смещения, близкого к пробивному, при этом обедненный слой —л перехода распространяется через всю л базу, которая является областью дрейфа носителей. Максимум напряженности электрического ноля ?проб и, следовательно, происходит лавинное размножение носителей с коэффициентом. Дырки сразу же под действием поля попадают в р + — область, а электроны дрейфуют по направлению к л-области со скоростью насыщения рняс, которая для кремния равна 10 7 см/с при? > 10 4 В/см, а время дрейфа *др = кНЯ (.

Использование ЛПД или другого электронного прибора в качестве активного элемента в схеме автогенератора СВЧ-колебаний основано на том, что при определенных условиях этот прибор может представлять собой отрицательное динамическое сопротивление (ОДС). Понятие отрицательного динамического сопротивления характеризует сопротивление диода на переменном токе, когда между переменными составляющими тока 1Д, текущего через прибор, и напряжения (/д, приложенного к его электродам, существует фазовый сдвиг 0 такой величины, что в течение большей части периода процесс нарастания напряже;

Рис. 3.12.

Рис. 3.12.

ния сопровождается снижением тока, и наоборот. Из рис. 3.12, а легко видеть, что при 0 = л/2 промежутки времени Д?1 = Д0,/а), в течение которых наблюдается отрицательное динамическое сопротивление (на рисунке эти участки заштрихованы), чередуются с равными по величине интервалами Д*2 = Д02/(0, когда динамическое сопротивление положительно. Следовательно, в среднем за период динамическое сопротивление не является отрицательным.

Отрезки времени Д*! превысят по величине отрезки Д*2" если сдвиг фаз 0 будет больше л/2, а в случае 0 = к (см. рис. 3.12, б) диод будет представлять собой отрицательное динамическое сопротивление в течение всего периода. Таким образом, условие, при котором диод в течение большей части периода характеризуется отрицательным динамическим сопротивлением, можно записать в виде -;

Лавинно-пролетные диоды. Электроника.

В ЛПД требуемый фазовый сдвиг между переменными составляющими тока и напряжения, определяемый формулой (3.5), образуется за счет конечного времени протекания основных физических процессов: лавинного размножения свободных носителей заряда в запирающем слое электрического перехода и их дрейфового движения в базе прибора.

Рассмотрим процессы более детально. Предположим, что ЛПД в виде структуры, представленной на рис. 3.11, а, включен в схему, содержащую источник внешнего постоянного напряжения С/0, а также колебательный контур с параметрами ЬА, Ск> Ик (рис. 3.13). Конденсатор С шунтирует источник постоянного напряжения по переменному току, Яогр задает положение рабочей точки. Предположим, что в колебательном контуре возникли колебания с частотой со, равной резонансной частоте контура, и амплитуда этих колебаний ит стационарна. Работа такой схемы в качестве автогенератора в стационарном режиме возможна, если ЛПД представляет собой элемент с отрицательным динамическим сопротивлением. Тогда энергия, поступающая в контур за счет переменной составляющей тока диода, расходуется на восполнение потерь в.

Рис. 3.13.

Рис. 3.13.

Рис. 3.14.

Рис. 3.14.

самом контуре и в других цепях схемы и способствует таким образом поддержанию стационарной амплитуды колебаний.

Рассмотрим физические процессы в ЛПД и докажем, что в этой схеме обеспечиваются необходимые условия для поддержания колебаний стационарной амплитуды.

На рис. 3.14, а показана ВАХ диода. Напряжение U0 обратного смещения, определяющее рабочую точку А на обратной ветви характеристики диода, по абсолютной величине меньше пробивного напряжения |?/0| |?/про6| (момент tx на рис. 3.14, б) в диоде возникает лавинный пробой, причем образование лавины ограничено узкой областью запирающего слоя вблизи границы и п областей — слоем умножения XVл (см. рис. 3.11, в), где поле имеет наибольшую величину и где коэффициент умножения носителей больше единицы. Таким образом, в узком слое умножения Ул лавинообразно нарастают концентрации электронов и дырок, и объемный заряд возникающий за счет их встречного дрейфа.

Образование лавины — это ряд последовательных процессов ионизации атомов полупроводника, причем скорость генерации электронно-дырочных пар в области размножения носителей зависит от напряженности электрического поля и концентрации частиц. Поэтому число размноженных носителей и, соответственно, объемный заряд г/0 достигают максимальной величины лишь по истечению некоторого времени Д?лав после момента ^ начала возникновения лавины (рис. 3.14, в). После того как напряжение на диоде снизится до значения |С/Д| 4 -область, а сгусток вновь образовавшихся электронов дрейфует в базе в течение более длительного времени Д*др (см. рис. 3.14, в). Если величина поля в базе диода при любом значении 1/л превышает напряженность поля / нас, при которой наблюдается насыщение дрейфовой скорости, то электроны движутся в базе с неизменной скоростью идр = идр нас. Достигая пп*-перехода, электроны экстрагируются полем этого перехода (момент *3 на рис. 3.14, б, в). За время движения в базе объемный заряд электронов наводит во внешней цепи ток /нав (рис. 3.14, г), близкий по форме к прямоугольному импульсу. В момент времени *4 напряжение на диоде снова превышает пробивное напряжение и описанные процессы повторяются.

Таким образом, во внешней цепи диода наблюдаются импульсы тока, следующие друг за другом с периодом повторения Т, равным периоду переменного напряжения ид на диоде. Значение интервалов времени А?лав и А* могут быть выбраны такими, что первая гармоника импульсной последовательности (сплошная линия на рис. 3.14, г) окажется в противофазе (0 = к) с напряжением на диоде. В этом случае диод будет представлять собой отрицательное динамическое сопротивление в течение всего периода [12, "https://referat.bookap.info"].

Если же фазовый сдвиг 0 * к9 то условие поддержания колебаний в контуре выполняется лишь в те отрезки времени, когда диод характеризуется отрицательным дифференциальным сопротивлением. В этом случае в контур передается меньшая энергия и амплитуда колебаний уменьшается. Величина фазового сдвига зависит, в частности, от частоты колебаний (о:

Лавинно-пролетные диоды. Электроника.

Отсюда следует, что при неизменных условиях образования лавины и дрейфа носителей в диоде величина угла 0 может измениться при перестройке контура. Поэтому для данного диода можно определить оптимальную частоту соопт генерируемых колебаний, при которых фазовый угол 0 наиболее близок к величине 180° и мощность колебаний максимальна.

Отклонение величины фазового угла 0 от оптимальной может произойти и по другим причинам. Так, например, возникновение плотного объемного заряда электронов цп в базе диода снижает потенциал в области существования этого заряда, и распределение электрического поля ?к в диоде может измениться так, как это показано на рис. 3.15 сплошной линией (штриховой линией показана напряженность поля в отсутствие объемного заряда).

Рис. 3.15.

Рис. 3.15.

Снижение величины поля $к в слое умножения приведет к тому, что процесс нарастания лавины прекратится ранее момента ?2( см — Р и с. 3.14, б); следовательно, уменьшится величина 0лав, а значит, и величина фазового сдвига Д0.

Показанное на рис. 3.15 искажение распределения напряженности электрического поля в диоде может привести и к более существенным изменениям всех физических процессов в приборе.

Если переменное напряжение на диоде достигает значения, примерно равного удвоенному пробивному напряжению, то в лавинной области создается столь плотный заряд электронов, что напряженность поля со стороныобласти понижается практически до нуля, а в области базы повышается до уровня, достаточного для возникновения процесса ударной ионизации. В результате этого процесса слой лавинного умножения смещается и формируется в области базы на фронте сгустка электронов. Генерируемые электроны и дырки практически мгновенно изменяют распределение электрического поля. Это приводит к тому, что в пространстве дрейфа образуется движущийся в направлении к п 4 -области лавинно-ударный фронт, который оставляет за собой большое количество электронов и дырок, концентрация которых столь велика, что напряженность поля здесь может понизиться практически до нуля (рис. 3.16). В результате ионизации атомов полупроводника в области базы образуется равное количество электронов и дырок (положительных и отрицательных зарядов). Такое состояние принято называть компенсированной полупроводниковой плазмой, а режим работы ЛПД — режимом захваченной плазмы.

Рис. 3.16.

Рис. 3.16.

В иностранной литературе этот режим носит наименование TRAP ATT-режима. Название образовано из начальных букв английской фразы TRApped Plasma Avalanche Triggered Transit (захваченная плазма, пробег области лавинного умножения).

В этом режиме можно выделить три фазы. Первая фаза — образование лавинного ударного фронта. Лавинный фронт перемещается в диоде со скоростью цф, значительно превышающей дрейфовую скорость насыщения: уф > удр нас. Таким образом, лавинный фронт быстро проходит через диод, оставляя его заполненным плазмой, захваченной слабым электрическим полем. Ток, текущий через прибор в этой фазе, существенно увеличивается вследствие дополнительного размножения носителей в базе, а напряжение на диоде за счет образования плазмы снижается.

Вторая фаза — период восстановления. Ваза диода в этой фазе заполнена электронно-дырочной плазмой, а напряженность поля значительно меньше величины, соответствующей насыщению дрейфовой скорости. Поэтому дырки из области базы дрейфуют к р 4 -области, а электроны — к л f -области со скоростью у11Л, существенно меньшей, чем дрейфовая скорость насыщения. Происходит постепенное рассасывание плазмы. Ток, текущий через прибор в этой фазе, остается неизменным; его величина определяется подвижностью носителей и |ip, их концентрацией р4 и п1 и напряженностью поля f в области плазмы.

Лавинно-пролетные диоды. Электроника.

С уходом носителей из базы диода поле в базе у переходов увеличивается со временем и постепенно наступает третья фаза, характеризуемая высоким значением напряженности поля в диоде и предшествующая последующему образованию лавинного ударного фронта.

Из сказанного ясно, что все описанные процессы протекают за время, превышающее время нарастания лавины и дрейфа носителей в базе при пролетном режиме. Иначе говоря, период повторения процессов в режиме с захваченной плазмой существенно больше периода повторения импульсов тока в пролетном режиме. Поэтому при работе в режиме с захваченной плазмой контур настраивается на более низкую частоту и соответственно частота колебаний в этом режиме значительно меньше частоты генерации в пролетном режиме.

Помимо этого, режим с захваченной плазмой отличается более высоким значением КПД (более 50%) по сравнению с пролетным режимом (КПД — 10%). Это объясняется главным образом повышенной плотностью тока при малом напряжении, что характерно для большей части периода повторения процессов.

Настоятельная необходимость миниатюризации аппа­ратуры СВЧ, повышение ее экономичности и надежности вызвала быстрый рост рабочих частот полупроводнико­вых приборов. Наряду с большими успехами в техноло­гии транзисторов этому способствовало открытие новых физических явлений в полупроводниках, сделавшее воз­можным разработку приборов, адекватных СВЧ диапа­зону.

Одним из первых явлений такого рода было обнару­женное СВЧ излучение при ударной ионизации в р-п переходах, послужившее основой для создания в 1959 г. новых СВЧ приборов—лавинно пролетных диодов (ЛПД).

На базе ЛПД создаются и быстро совершенствуются разнообразные приборы и устройства, в первую очередь генераторы когерентных и шумовых колебаний сантиметрового и миллиметрового диапазонов. Малые габариты и вес, экономичность, виброустойчивость и т. п. позволяют отнести генераторы на ЛПД к числу наиболее перспектив­ных источников электромагнитных колебаний СВЧ, открывающих широкие возможности развития СВЧ микросхемотехники.

1 ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ЛАВИННО-ПРОЛЕТНЫХ ДИОДОВ

Характерной особенностью развития современной ра­диотехники является быстрое продвижение полупроводниковых приборов в область сверхвысоких частот. Про­гресс в этом направлении был достигнут в результате значительного усовершенствования технологии изготовления высокочастотных транзисторов, разработки тун­нельных диодов и диодов с переменной емкостью (варакторов). Хотя все эти приборы появились совсем недавно, они уже широко применяются в диапазоне СВЧ в ка­честве элементов высокочувствительных приемных устройств и умножительных цепочек. Однако до послед­него времени не удавалось создать эффективного авто­генератора сантиметровых волн, который мог бы слу­жить твердотельным эквивалентом одного из основных электровакуумных приборов СВЧ — отражательного кли­строна.

Этот пробел в значительной мере восполняет новый полупроводниковый СВЧ прибор — лавинно-пролетный диод (ЛПД), являющийся основой целого класса СВЧ устройств; генераторов, усилителей и преобразователей частоты.

В процессе исследования зависимости коэффициента преобразования частоты в диапазоне СВЧ на параме­трических полупроводниковых диодах от величины при­ложенного к диоду постоянного смещения и мощности накачки было установлено, что при больших значениях обратного напряжения, превышающих пробивное, неко­торые из диодов генерировали СВЧ колебания и в от­сутствие сигнала накачки.

Диффузионные диоды с меза-структурой и одним р-п переходом, сформированным путем диффузии мышьяка в германий р-типа, легированный галлием (рис. 1).

Рис. 1. Структура диода.

Рис. 2. Схема включения ЛПД в цепь постоянного тока.

Диод помещали в высокочастотный резонатор и вклю­чали в цепь постоянного тока, как показано на рис. 2. Генерация СВЧ колебаний наблюдалась при отрица­тельных напряжениях, на 0,5—1,5 В, превышающих про­бивное напряжение, когда через диод проходил постоян­ный ток от 0,5 до 10—15 мА. Мощность колебаний в не­прерывном режиме составляла для различных диодов величину от десятков микроватт до нескольких милли­ватт. Спектр колебаний в зависимости от тока, текущего через диод, и настройки резонатора изменялся от близ­кого к шумовому до почти монохроматического. Длина волны колебаний лежала в пределах от 0,8 до 10 см и зависела от размеров резонатора и значений реактив­ных параметров диодов. Перестраивая резонатор (на­пример, перемещением короткозамыкающего плунжера), можно было плавно изменять частоту и мощность ко­лебаний. В недовозбужденном режиме вблизи порога генерации наблюдалось регенеративное усиление СВЧ колебаний с коэффициентом усиления 15—20 дб. Диоды на которых были получены генерация и усиление СВЧ колебаний, как правило, не давали заметной паразитной генерации на более низких частотах, хотя не при­нималось специальных мер для ее подавления.

Рис 3. Обратная ветвь вольтамперной характеристики ЛПД

Уже первые эксперименты показали, что основным признаком генерирующих диодов, является форма об­ратной ветви их вольтамперной характеристики, пока­занной на рис. З сплошной линией. Как видно из ри­сунка, особенностью этой харак­теристики является резкий излом при пробивном напряжении U пр . При отрицательных напряжениях, меньших (по абсолютной величи­не) Uпр , ток, текущий через диод (ток насыщения), очень мал и со­ставляет для различных диодов от 0,01 до 1 мкA. При U =U np вольтамперная характеристика претер­певает резкий излом, ток резко возрастает и при дальнейшем уве­личении отрицательного смещения растет почти линейно с на­пряжением. Максимальное значе­ние постоянного тока диода огра­ничивалось опасностью теплового пробоя, выводящего диод из строя.

Наклон вольтамперной характеристики на рабочем участке был всюду положительным и соответствовал положительному дифференциальному сопротивлению R д слабо зависящему от тока и лежащему для различных диодов в интервале 50—300 Ом.

Вольтамперная характеристика негенерировавших диодов, как правило, отличалась более или менее плав­ным увеличением тока вблизи пробивного напряжения (штриховая кривая рис. З) и большим значением диф­ференциального сопротивления R д на этом участке. На некоторых диодах при U >U пр наблюдались скачки тока, соответствующие участкам вольтамперной характеристи­ки с отрицательным наклоном. Эти диоды в ряде слу­чаев давали низкочастотную генерацию (1—10 кГц), но, как правило, не генерировали СВЧ колебания.

Последующие эксперименты показали, что подобные же явления (генерация СВЧ колебаний) могут наблю­даться и на диодах другой структуры: диффузионных на базе n-германия, сплавных германиевых диодах с рез­ким р-п переходом, диффузионных и сплавных кремние­вых диодах и т. д.

Физическая при­рода этого динамического отрицательного сопротивления связана с процессом ударной ионизации в р-п переходе и с взаимодействием образованной при этом лавины свободных носителей тока (электронов и дырок) с вы­сокочастотным полем в слое объемного заряда (запой­ном слое) обратно смещенного р-п перехода. Действи­тельно, известно два основных механизма резкого воз­растания тока в обратно смещенном р-п переходе — ла­винный пробой вследствие ударной ионизации атомов кристалла подвижными электронами и дырками и эф­фект Зинера — туннельный переход носителей заряда из заполненной зоны одного полупроводника в свободную зону другого. Эффект Зинера проявляется лишь в достаточно узких р-п переходах с напряжением пробоя меньше 5 В для германия. В нашем случае это напряжение превышало 20 В, так что возрастание тока можно было целиком отнести за счет ударной иони­зации. Исследования подтвердили это предположение, и диоды, в которых наблюдался эффект генерации СВЧ колебаний, были названы лавинно-пролетными.

2 ДИОДЫ С ПОЛЕВОЙ ЭМИССИЕЙ

Диоды с динамическим отрицательным сопротивле­нием известны в вакуумной электронике уже 60 лет. Л. Левеллин экспериментально показал возможность создания на основе такого диода генератора СВЧ. Схема подобного генератора включает диодный проме­жуток, ограниченный двумя электродами — катодом и анодом, к которым приложена постоянная U 0 и пере­менная U ~ разности потенциалов, и внешний колеба­тельный контур.

С термоэмиссионного катода в диодный промежуток поступает немодулированный поток электронов. Под дей­ствием переменного поля скорость электронов изменя­ется, и первоначально однородный электронный поток группируется. При этом средняя (за период) энергия взаимодействия электронов с переменным полем оказы­вается отличной от нуля и зависящей от угла пролета электронов в диоде q = wt (t—время пролета электро­нов). В определенных интервалах значений угла пролета

Настоятельная необходимость миниатюризации аппа­ратуры СВЧ, повышение ее экономичности и надежности вызвала быстрый рост рабочих частот полупроводнико­вых приборов. Наряду с большими успехами в техноло­гии транзисторов этому способствовало открытие новых физических явлений в полупроводниках, сделавшее воз­можным разработку приборов, адекватных СВЧ диапа­зону.

Одним из первых явлений такого рода было обнару­женное СВЧ излучение при ударной ионизации в р-п переходах, послужившее основой для создания в 1959 г. новых СВЧ приборов—лавинно пролетных диодов (ЛПД).

На базе ЛПД создаются и быстро совершенствуются разнообразные приборы и устройства, в первую очередь генераторы когерентных и шумовых колебаний сантиметрового и миллиметрового диапазонов. Малые габариты и вес, экономичность, виброустойчивость и т. п. позволяют отнести генераторы на ЛПД к числу наиболее перспектив­ных источников электромагнитных колебаний СВЧ, открывающих широкие возможности развития СВЧ микросхемотехники.

1 ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ЛАВИННО-ПРОЛЕТНЫХ ДИОДОВ

Характерной особенностью развития современной ра­диотехники является быстрое продвижение полупроводниковых приборов в область сверхвысоких частот. Про­гресс в этом направлении был достигнут в результате значительного усовершенствования технологии изготовления высокочастотных транзисторов, разработки тун­нельных диодов и диодов с переменной емкостью (варакторов). Хотя все эти приборы появились совсем недавно, они уже широко применяются в диапазоне СВЧ в ка­честве элементов высокочувствительных приемных устройств и умножительных цепочек. Однако до послед­него времени не удавалось создать эффективного авто­генератора сантиметровых волн, который мог бы слу­жить твердотельным эквивалентом одного из основных электровакуумных приборов СВЧ — отражательного кли­строна.

Этот пробел в значительной мере восполняет новый полупроводниковый СВЧ прибор — лавинно-пролетный диод (ЛПД), являющийся основой целого класса СВЧ устройств; генераторов, усилителей и преобразователей частоты.

В процессе исследования зависимости коэффициента преобразования частоты в диапазоне СВЧ на параме­трических полупроводниковых диодах от величины при­ложенного к диоду постоянного смещения и мощности накачки было установлено, что при больших значениях обратного напряжения, превышающих пробивное, неко­торые из диодов генерировали СВЧ колебания и в от­сутствие сигнала накачки.

Диффузионные диоды с меза-структурой и одним р-п переходом, сформированным путем диффузии мышьяка в германий р-типа, легированный галлием (рис. 1).

Рис. 1. Структура диода.

Рис. 2. Схема включения ЛПД в цепь постоянного тока.

Диод помещали в высокочастотный резонатор и вклю­чали в цепь постоянного тока, как показано на рис. 2. Генерация СВЧ колебаний наблюдалась при отрица­тельных напряжениях, на 0,5—1,5 В, превышающих про­бивное напряжение, когда через диод проходил постоян­ный ток от 0,5 до 10—15 мА. Мощность колебаний в не­прерывном режиме составляла для различных диодов величину от десятков микроватт до нескольких милли­ватт. Спектр колебаний в зависимости от тока, текущего через диод, и настройки резонатора изменялся от близ­кого к шумовому до почти монохроматического. Длина волны колебаний лежала в пределах от 0,8 до 10 см и зависела от размеров резонатора и значений реактив­ных параметров диодов. Перестраивая резонатор (на­пример, перемещением короткозамыкающего плунжера), можно было плавно изменять частоту и мощность ко­лебаний. В недовозбужденном режиме вблизи порога генерации наблюдалось регенеративное усиление СВЧ колебаний с коэффициентом усиления 15—20 дб. Диоды на которых были получены генерация и усиление СВЧ колебаний, как правило, не давали заметной паразитной генерации на более низких частотах, хотя не при­нималось специальных мер для ее подавления.

Рис 3. Обратная ветвь вольтамперной характеристики ЛПД

Уже первые эксперименты показали, что основным признаком генерирующих диодов, является форма об­ратной ветви их вольтамперной характеристики, пока­занной на рис. З сплошной линией. Как видно из ри­сунка, особенностью этой харак­теристики является резкий излом при пробивном напряжении U пр . При отрицательных напряжениях, меньших (по абсолютной величи­не) Uпр , ток, текущий через диод (ток насыщения), очень мал и со­ставляет для различных диодов от 0,01 до 1 мкA. При U =U np вольтамперная характеристика претер­певает резкий излом, ток резко возрастает и при дальнейшем уве­личении отрицательного смещения растет почти линейно с на­пряжением. Максимальное значе­ние постоянного тока диода огра­ничивалось опасностью теплового пробоя, выводящего диод из строя.

Наклон вольтамперной характеристики на рабочем участке был всюду положительным и соответствовал положительному дифференциальному сопротивлению R д слабо зависящему от тока и лежащему для различных диодов в интервале 50—300 Ом.

Вольтамперная характеристика негенерировавших диодов, как правило, отличалась более или менее плав­ным увеличением тока вблизи пробивного напряжения (штриховая кривая рис. З) и большим значением диф­ференциального сопротивления R д на этом участке. На некоторых диодах при U >U пр наблюдались скачки тока, соответствующие участкам вольтамперной характеристи­ки с отрицательным наклоном. Эти диоды в ряде слу­чаев давали низкочастотную генерацию (1—10 кГц), но, как правило, не генерировали СВЧ колебания.

Последующие эксперименты показали, что подобные же явления (генерация СВЧ колебаний) могут наблю­даться и на диодах другой структуры: диффузионных на базе n-германия, сплавных германиевых диодах с рез­ким р-п переходом, диффузионных и сплавных кремние­вых диодах и т. д.

Физическая при­рода этого динамического отрицательного сопротивления связана с процессом ударной ионизации в р-п переходе и с взаимодействием образованной при этом лавины свободных носителей тока (электронов и дырок) с вы­сокочастотным полем в слое объемного заряда (запой­ном слое) обратно смещенного р-п перехода. Действи­тельно, известно два основных механизма резкого воз­растания тока в обратно смещенном р-п переходе — ла­винный пробой вследствие ударной ионизации атомов кристалла подвижными электронами и дырками и эф­фект Зинера — туннельный переход носителей заряда из заполненной зоны одного полупроводника в свободную зону другого. Эффект Зинера проявляется лишь в достаточно узких р-п переходах с напряжением пробоя меньше 5 В для германия. В нашем случае это напряжение превышало 20 В, так что возрастание тока можно было целиком отнести за счет ударной иони­зации. Исследования подтвердили это предположение, и диоды, в которых наблюдался эффект генерации СВЧ колебаний, были названы лавинно-пролетными.

2 ДИОДЫ С ПОЛЕВОЙ ЭМИССИЕЙ

Диоды с динамическим отрицательным сопротивле­нием известны в вакуумной электронике уже 60 лет. Л. Левеллин экспериментально показал возможность создания на основе такого диода генератора СВЧ. Схема подобного генератора включает диодный проме­жуток, ограниченный двумя электродами — катодом и анодом, к которым приложена постоянная U 0 и пере­менная U ~ разности потенциалов, и внешний колеба­тельный контур.

С термоэмиссионного катода в диодный промежуток поступает немодулированный поток электронов. Под дей­ствием переменного поля скорость электронов изменя­ется, и первоначально однородный электронный поток группируется. При этом средняя (за период) энергия взаимодействия электронов с переменным полем оказы­вается отличной от нуля и зависящей от угла пролета электронов в диоде q = wt (t—время пролета электро­нов). В определенных интервалах значений угла пролета

Функция "чтения" служит для ознакомления с работой. Разметка, таблицы и картинки документа могут отображаться неверно или не в полном объёме!

1 Основные особенности лавинно-пролетных диодов.

2 Диоды с полевой эмиссией.

3 Принцип работы ЛПД.

Список использованной литературы.

ВВЕДЕНИЕ Настоятельная необходимость миниатюризации аппа­ратуры СВЧ, повышение ее экономичности и надежности вызвала быстрый рост рабочих частот полупроводнико­вых приборов. Наряду с большими успехами в техноло­гии транзисторов этому способствовало открытие новых физических явлений в полупроводниках, сделавшее воз­можным разработку приборов, адекватных СВЧ диапа­зону.

Одним из первых явлений такого рода было обнару­женное СВЧ излучение при ударной ионизации в р-п переходах, послужившее основой для создания в 1959 г. новых СВЧ приборов—лавинно пролетных диодов (ЛПД).

На базе ЛПД создаются и быстро совершенствуются разнообразные приборы и устройства, в первую очередь генераторы когерентных и шумовых колебаний сантиметрового и миллиметрового диапазонов. Малые габариты и вес, экономичность, виброустойчивость и т. п. позволяют отнести генераторы на ЛПД к числу наиболее перспектив­ных источников электромагнитных колебаний СВЧ, открывающих широкие возможности развития СВЧ микросхемотехники.

1 ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ЛАВИННО-ПРОЛЕТНЫХ ДИОДОВ Характерной особенностью развития современной ра­диотехники является быстрое продвижение полупроводниковых приборов в область сверхвысоких частот. Про­гресс в этом направлении был достигнут в результате значительного усовершенствования технологии изготовления высокочастотных транзисторов, разработки тун­нельных диодов и диодов с переменной емкостью (варакторов). Хотя все эти приборы появились совсем недавно, они уже широко применяются в диапазоне СВЧ в ка­честве элементов высокочувствительных приемных устройств и умножительных цепочек. Однако до послед­него времени не удавалось создать эффективного авто­генератора сантиметровых волн, который мог бы слу­жить твердотельным эквивалентом одного из основных электровакуумных приборов СВЧ — отражательного кли­строна.

Этот пробел в значительной мере восполняет новый полупроводниковый СВЧ прибор — лавинно-пролетный диод (ЛПД), являющийся основой целого класса СВЧ устройств; генераторов, усилителей и преобразователей частоты.

В процессе исследования зависимости коэффициента преобразования частоты в диапазоне СВЧ на параме­трических полупроводниковых диодах от величины при­ложенного к диоду постоянного смещения и мощности накачки было установлено, что при больших значениях обратного напряжения, превышающих пробивное, неко­торые из диодов генерировали СВЧ колебания и в от­сутствие сигнала накачки.

Диффузионные диоды с меза-структурой и одним р-п переходом, сформированным путем диффузии мышьяка в германий р-типа, легированный галлием (рис. 1).

Настоятельная необходимость миниатюризации аппаратуры СВЧ, повышение ее экономичности и надежности вызвала быстрый рост рабочих частот полупроводниковых приборов. Наряду с большими успехами в технологии транзисторов этому способствовало открытие новых физических явлений в полупроводниках, сделавшее возможным разработку приборов, адекватных СВЧ диапазону.

Одним из первых явлений такого рода было обнаруженное СВЧ излучение при ударной ионизации в р-п переходах, послужившее основой для создания в 1959 г. новых СВЧ приборовлавинно пролетных диодов (ЛПД).

На базе ЛПД создаются и быстро совершенствуются разнообразные приборы и устройства, в первую очередь генераторы когерентных и шумовых колебаний сантиметрового и миллиметрового диапазонов. Малые габариты и вес, экономичность, виброустойчивость и т. п. позволяют отнести генераторы на ЛПД к числу наиболее перспективных источников электромагнитных колебаний СВЧ, открывающих широкие возможности развития СВЧ микросхемотехники.

1 ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ЛАВИННО-ПРОЛЕТНЫХ ДИОДОВ

Характерной особенностью развития современной радиотехники является быстрое продвижение полупроводниковых приборов в область сверхвысоких частот. Прогресс в этом направлении был достигнут в результате значительного усовершенствования технологии изготовления высокочастотных транзисторов, разработки туннельных диодов и диодов с переменной емкостью (варакторов). Хотя все эти приборы появились совсем недавно, они уже широко применяются в диапазоне СВЧ в качестве элементов высокочувствительных приемных устройств и умножительных цепочек. Однако до последнего времени не удавалось создать эффективного автогенератора сантиметровых волн, который мог бы служить твердотельным эквивалентом одного из основных электровакуумных приборов СВЧ отражательного клистрона.

Этот пробел в значительной мере восполняет новый полупроводниковый СВЧ прибор лавинно-пролетный диод (ЛПД), являющийся основой целого класса СВЧ устройств; генераторов, усилителей и преобразователей частоты.

В процессе исследования зависимости коэффициента преобразования частоты в диапазоне СВЧ на параметрических полупроводниковых диодах от величины приложенного к диоду постоянного смещения и мощности накачки было установлено, что при больших значениях обратного напряжения, превышающих пробивное, некоторые из диодов генерировали СВЧ колебания и в отсутствие сигнала накачки.

Диффузионные диоды с меза-структурой и одним р-п переходом, сформированным путем диффузии мышьяка в германий р-типа, легированный галлием (рис. 1).

Рис. 1. Структура диода.

Рис. 2. Схема включения ЛПД в цепь постоянного тока.

Диод помещали в высокочастотный резонатор и включали в цепь постоянного тока, как показано на рис. 2. Генерация СВЧ колебаний наблюдалась при отрицательных напряжениях, на 0,51,5 В, превышающих пробивное напряжение, когда через диод проходил постоянный ток от 0,5 до 1015 мА. Мощность колебаний в непрерывном режиме составляла для различных диодов величину от десятков микроватт до нескольких милливатт. Спектр колебаний в зависимости от тока, текущего через диод, и настройки резонатора изменялся от близкого к шумовому до почти монохроматического. Длина волны колебаний лежала в пределах от 0,8 до 10 см и зависела от размеров резонатора и значений реактивных параметров диодов. Перестраивая резонатор (например, перемещением короткозамыкающего плунжера), можно было плавно изменять частоту и мощность колебаний. В недовозбужденном режиме вблизи порога генерации наблюдалось регенеративное усиление СВЧ колебаний с коэффициентом усиления 1520 дб. Диоды на которых были получены генерация и усиление СВЧ колебаний, как правило, не давали заметной паразитной генерации на более низких частотах, хотя не принималось специальных мер для ее подавления.

Рис 3. Обратная ветвь вольтамперной характеристики ЛПД

Уже первые эксперименты показали, что основным признаком генерирующих диодов, является форма обратной ветви их вольтамперной характеристики, показанной на рис. З сплошной линией. Как видно из рисунка, особенностью этой характеристики является резкий излом при пробивном напряжении Uпр. При отрицательных напряжениях, меньших (по абсолютной величине) Uпр, ток, текущий через диод (ток насыщения), очень мал и составляет для различных диодов от 0,01 до 1 мкA. При U=Unp вольтамперная характеристика претерпевает резкий излом, ток резко возрастает и при дальнейшем увеличении отрицательного смещения растет почти линейно с напряжением. Максимальное значение постоянного тока диода ограничивалось опасностью теплового пробоя, выводящего диод из строя.

Наклон вольтамперной характеристики на рабочем участке был всюду положительным и соответствовал положительному дифференциальному сопротивлению Rд слабо зависящему от тока и лежащему для различных диодов в интервале 50300 Ом.

Вольтамперная характеристика негенерировавших диодов, как правило, отличалась более или менее плавным увеличением тока вблизи пробивного напряжения (штриховая кривая рис. З) и большим значением дифференциального сопротивления Rд на этом участке. На некоторых диодах при U>Uпр наблюдались скачки тока, соответствующие участкам вольтамперной характеристики с отрицательным наклоном. Эти диоды в ряде случаев давали низкочастотную генерацию (110 кГц), но, как правило, не генерировали СВЧ колебания.

Последующие эксперименты показали, что подобные же явления (генерация СВЧ колебаний) могут наблюдаться и на диодах другой структуры: диффузионных на базе n-германия, сплавных германиевых диодах с резким р-п переходом, диффузионных и сплавных кремниевых диодах и т. д.

Физическая природа этого динамического отрицательного сопротивления связана с процессом ударной ионизации в р-п переходе и с взаимодействием образованной при этом лавины свободных носителей тока (электронов и дырок) с высокочастотным полем в слое объемного заряда (запойном слое) обратно смещенного р-п перехода. Действительно, известно два основных механизма резкого возрастания тока в обратно смещенном р-п переходе лавинный пробой вследствие ударной ионизации атомов кристалла подвижными электронами и дырками и эффект Зинера туннельный переход носителей заряда из заполненной зоны одного полупроводника в свободную зону другого. Эффект Зинера проявляется лишь в достаточно узких р-п переходах с напряжением пробоя меньше 5 В для германия. В нашем случае это напряжение превышало 20 В, так что возрастание тока можно было целиком отнести за счет ударной ионизации. Исследования подтвердили это предположение, и диоды, в которых наблюдался эффект генерации СВЧ колебаний, были названы лавинно-пролетными.

2 ДИОДЫ С ПОЛЕВОЙ ЭМИССИЕЙ

Диоды с динамическим отрицательным сопротивлением известны в вакуумной электронике уже 60 лет. Л. Левеллин экспериментально показал возможность создания на основе такого диода генератора СВЧ. Схема подобного генератора включает диодный промежуток, ограниченный двумя электродами катодом и анодом, к которым приложена постоянная U0 и переменная U~ разности потенциалов, и внешний колебательный контур.

С термоэмиссионного катода в диодный промежуток поступает немодулированный поток электронов. Под действием переменного поля скорость электронов изменяется, и первоначально однородный электронный поток группируется. При этом средняя (за период) энергия взаимодействия электронов с переменным полем оказывается отличной от нуля и зависящей от угла пролета электронов в диоде = (время пролета электронов). В определенных интервалах значений угла пролета

Читайте также: