Лавинно-пролетные диоды. 
Электроника

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.

Для изготовления ЛПД используются различные структуры, такие, как четырехслойная структура Рида (р~—п—*—л⁺), асимметричный резкий р—л-переход (р^у—л—п*), симметричный р— л переход — диод с двумя дрейфовыми областями (р⁺—р—п—п*) диод с двухслойной базой, диод с трехслойной базой (модифицированный диод Рида) и р—1—л структуры (диоды). Каждая из приведенных структур характеризуется определенным напряжением пробоя, размером области лавинного умножения и области дрейфа, степенью влияния объемного заряда носителей и температуры, а также динамическими характеристиками. Рассмотрение физических процессов в ЛПД проведем на основе анализа простейшей структуры — асимметричного резкого р+—л-перехода (рис. 3.11). Отметим, что в ЛПД распределение концентраций примесей в переходах должно быть как можно ближе к ступенчатому, подобно тому, как это представлено на рис. 3.11, а. На рис. 3.11,65, в показаны распределение напряженности электрического поля при подаче обратного напряжения на структуру («минус» источника питания подключен к области р¹) и эффективного коэффициента ударной ионизации. ЛПД работают.

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 <*_т достигается на металлургической границе —л-перехода, вблизи которой существует узкий слой ЦГ_Л = х — лг₀(0) (см. рис. 3.11,6, в), где? > ?_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 р_няс, которая для кремния равна 10⁷ см/с при? > 10⁴ В/см, а время дрейфа *_др = №_к/и_{НЯ (}.

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 1_Д, 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.

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 -;

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 Ь_А, С_к> И_к (рис. 3.13). Конденсатор С шунтирует источник постоянного напряжения по переменному току, Я_огр задает положение рабочей точки. Предположим, что в колебательном контуре возникли колебания с частотой со, равной резонансной частоте контура, и амплитуда этих колебаний и_т 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. 3.14.

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| < |1/_проб|. На этом же рисунке показано переменное напряжение и = U_т sin со?, возникающее на колебательном контуре, и, следовательно, на электродах диода. Суммарное напряжение на диоде С/_д = U₀ + U_т sin со* таково, что в интервалы At отрицательного полупериода оно по абсолютной величине превышает напряжение С/_про6.

Электрическое поле, создаваемое в диоде за счет внешних постоянного и переменного напряжений, суммируется с контактным полем в электрическом переходе. При условии |С/_Д| > |?/_про6| (момент t_x 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 XV_л (см. рис. 3.11, в), где поле имеет наибольшую величину и где коэффициент умножения носителей больше единицы. Таким образом, в узком слое умножения У_л лавинообразно нарастают концентрации электронов и дырок, и объемный заряд <7₀ = (]_р> 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| < |?/_проб| (момент г₂ на рис. 3.14,0), процесс размножения носителей заряда прекращается. На рис. 3.14, в показан процесс изменения объемного заряда электронов </<sub>0, причем интервал времени Д*_др несколько больше Т/4 (Т— период колебаний напряжения ?/_д). По мере появления носителей заряда в узком слое умножения они под влиянием электрического поля уходят из этого слоя, при этом дырки и электроны дрейфуют в противоположных направлениях. В следствие того, что У_Л <$С XV _ъ (см. рис. 3.11, а, в), дырки в течение короткого отрезка времени уходят из запирающего слоя в р⁴ -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 и_др = и_др нас. Достигая п—п*-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 и_д 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.

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:

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 со_опт 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 ц_п 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.

Снижение величины поля $_к в слое умножения приведет к тому, что процесс нарастания лавины прекратится ранее момента ?₂(^см— Р^ис. 3.14, б); следовательно, уменьшится величина 0_лав, 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 п⁴ -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.

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 ц_ф, значительно превышающей дрейфовую скорость насыщения: у_ф > у_др 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 р⁴-области, а электроны — к л^f-области со скоростью у_11Л, 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 |i_p, их концентрацией р₄ и п₁ и напряженностью поля f в области плазмы.

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.