Материал: Metoda_po_sdache_ekzamena_po_mikrovolnovke

Временные зависимости напряжения и токов в ЛПД представлены на рисунке 2.

Рисунок 2

Стоит рассмотреть более детально явления в зоне лавинного умножения. Предположим, что на диод наряду с напряжением смещения действует гармоническое переменное напряжение , при этом . Также постоянное смещение создает электрическое поле в зоне лавинного умножения, близкое к пробивному. Начиная с момента времени напряженность поля в зоне лавинного умножения становится больше пробивной и ток через переход начинает расти. Скорость роста тока определяется разностью и максимальна в момент времени , где - период переменного напряжения. После этого скорость роста тока уменьшается и становится равной нулю в момент времени . Суммарная напряженность поля становится меньше пробивной и конвекционный ток в зоне лавинного умножения начинает уменьшаться. Максимальная скорость уменьшения тока наблюдается в момент времени . В момент времени уменьшение тока прекращается. Таким образом, зона лавинного умножения обеспечивает запаздывание инжекции носителей заряда, которое необходимо для получения отрицательного динамического сопротивления.

Также стоит отметить, что кинетическая энергия электрона, который движется в пространстве дрейфа, состоит из энергии направленного движени я и энергии теплового хаотического движения.

Инжекционно-пролетный диод

Структура ИПД и распределение напряженности электрического поля в ней показана на рисунке 3.

Рисунок 19

При указанной полярности эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный в обратном. При малых напряжениях U в структуре будут два обедненных слоя: у левого электрода он будет достигаться за счет контактной разности потенциалов, у правого за счет и U. При увеличении напряжения на коллекторе возникает расширение обедненной области в p-слое у правого электрода. При напряжении ширина обедненного слоя равна при большем напряжении соответственно, ширина обедненного слоя тоже увеличится. При достижении напряжения произойдет полное обеднение p-слоя, обедненные области левого и правого электродов сомкнутся. Произойдет прокол p-слоя. Дальнейшее увеличение напряжения приведет к уменьшению барьера для зарядов у левого электрода, а также к инжекции носителей из эмиттера. Если на фоне напряжения смещения приложить небольшое переменное напряжение, то переменный эмитируемый ток будет отставать по фазе от напряжения.

Таким образом, если сравнить ИПД с ЛПД, то в ЛПД запаздывание инжекции будет меньше, хотя при определенных углах пролета можно достичь отрицательное динамическое сопротивление. Такие приборы имеют малую выходную мощность, но и более низкие шумы, что возникает в виду отсутствия процессов лавинного умножения.

Максимум отрицательной проводимости у таких диодов достигается при углах пролета около .

Запишем формулу полного сопротивления диода.

Z = + +

Где это сопротивление зоны лавинного умножения, сопротивление пространства дрейфа, паразитарное сопротивление контактов.

Представление зоны лавинного умножения в виде параллельного соединения емкости и индуктивности позволяет также рассчитать соотношение между инжектированным током (ток через ) и полным током (ток через и ):

где — угол пролета в пространстве дрейфа; — его емкость.

Из полученного выражения видно, что активное сопротивление диода может быть отрицательным, если .

Максимальное по модулю отрицательное сопротивление наблюдается при . Оно пропорционально постоянной составляющей тока диода и производной коэффициента ионизации по напряженности электрического поля . Активная составляющая сопротивления для всех углов пролета отрицательна. Это следствие фазового сдвига тока инжекции по отношению к полному току на угол .

Зависимость полного сопротивления диода Ридда (ИПД не нашел, даже в методе всего один абзац) от угла пролета в пространстве дрейфа представлена на рисунке 4

Рисунок 20

Сравнение с диодом Ганна.

Сам процесс использования в целом аналогичен использованию ЛПД. Два основных отличия – это уровень фазовых шумов: у ЛПД он выше, чем у диода Ганна, а также уровень выходной мощности: у ДГ он на порядок ниже, чем у ЛПД. Поэтому ДГ применяется, например, в гетеродинах.

23. Диоды с отрицательным динамическим сопротивлением: диоды с междолинным переносом носителей (диоды Ганна). Характерные статические распределения концентрации носителей, заряда и поля. Частотные характеристики.

Проводники AIIIBV, такие как GaAs, InP, GaN, имеют область отрицательной дифференциальной подвижности на поле-скоростной характеристике. Зона проводимости этих материалов состоит из нескольких долин, электроны в которых имеют разную эффективную массу (и, соответственно, различную подвижность).

Рис. 1. Энергетическая диаграмма зоны проводимости арсенида галлия.

На рисунке представлена зависимость энергии w от волнового числа k вдоль кристаллографической оси [111]. Различие в заселенности долин будет определяться энергией электронов kT_e и энергетическим зазором Δ:

где R — отношение плотности состояний в рассматриваемых долинах (для GaAs оно равно 50). Если к образцу приложено внешнее «греющее» поле E₀ , то электронная температура повышается. При этом уравнение сохранения потока энергии примет вид:

В этом уравнении скорость v соответствует средней скорости носителей в двух долинах:

Увеличение напряженности поля, обуславливающее рост электронной температуры T_e , приводит к увеличению доли электронов, переходящих в верхнюю долину. Это обуславливает уменьшение средней скорости носителей. Особенно резко это снижение будет наблюдаться при полях выше некоторого критического значения. При дальнейшем увеличении поля скорость будет стремиться к величине ₂E , т.к. количество носителей заряда в верхней долине будет преобладающим.

Рис. 2. Поле-скоростная характеристика.

На рисунке представлены графики расчетов для двух вариантов: без учета зависимости подвижности от электронной температуры (пунктирная линия) и с ее учетом (сплошная линия). Различие наблюдается в области сильных полей, при которых в реальных условиях наблюдается насыщение скорости. Критическое (пороговое) поле для GaAs составляет E_th  3,4 кВ/см. Процессы междолинного переноса носителей заряда, существенно влияют не только на вид полескоростной характеристики, но на характер поведения другого кинетического коэффициента — коэффициента диффузии D_e . Вблизи критического поля он имеет ярко выраженный максимум.

Рис. 3. Экспериментальная зависимость коэффициента диффузии от поля для GaAs

Междолинный переход носителей заряда обуславливает эффект Ганна – возникновение периодических импульсов тока в полупроводниковой структуре с отрицательной дифференциальной подвижностью.

Рис. 4. Структура диода Ганна и распределение поля при напряжении меньше критического

Для возникновения импульсов необходимы следующие условия:

- Приложенное напряжение должно быть больше критического значения

- Уровень легирования N_d и длина активной части прибора L должны превышать критическую величину

Период импульсов аппроксимируется выражением Таким образом можно получить нужную частоту генерации, задав длину прибора.

Рассмотрим процесс генерации импульсов. Предположим, что поле превысит критическое значение в области, содержащей неоднородность легирования (например, вблизи катода). Скорость носителей внутри этой области станет меньше, чем скорость носителей слева и справа от нее. В результате концентрация электронов слева от области возрастет, справа от области – снизится. В результате в области неоднородности возникает двойной зарядовый слой, называемый доменом сильного поля.

Рис. 5. Распределение полей, скорости носителей и заряда в области домена.

При этом напряженность поля внутри домена будет возрастать, а вне его – уменьшаться. Увеличение поля в домене прекратится, когда скорость домена сравняется со скоростью электронов вне домена.

По достижении анода домен исчезнет, и напряженность поля в полупроводнике возрастет. При превышении порогового значения на катоде начнется образование нового домена и процесс повторится.

Рассмотренный режим работы называется режимом бегущего домена. Также возможны анодный и катодный статические режимы, когда вследствие диффузионных потоков возникает динамическое равновесие и рост домена прекращается, при этом максимум поля наблюдается у анода или катода соответственно.

Рис. 6. Распределение поля при режиме бегущего домена (1), анодном статическом (2) и катодном статическом (3)

Рис. 7. ВАХ диода Ганна в разных режимах: с бегущим доменом (1), с учетом разогрева структуры (2), статический домен в импульсном режиме (3) и (4), область неустойчивости (5).

Диод Ганна может применяться в качестве усилителя или генератора СВЧ-сигналов, аналогично лавинно-пролетному диоду. Однако диод Ганна имеет меньший уровень шумов. Современные технологии позволяют достичь частоты генерации порядка сотен гигагерц.

24. Динамическое сопротивление полупроводникового образца. Слоистые структуры. Способы получения отрицательного динамического сопротивления.

Рассмотрим образец полупроводника c длиной L, площадью поперечного сечения S, и статическими компонентами поля E₀ и заряда n₀, постоянными по длине образца.

Рис. 1. Продольное сечение образца

Определим сопротивление образца:

где R и X – активное и реактивное сопротивление, - комплексные амплитуды переменного тока и напряжения.

Напряжение определяется как

Для нахождения поля используется уравнение Пуассона:

Предположим, что на катоде (z=0) существует переменное поле, тогда

где -комплексная амплитуда заряда, - максвелловская частота релаксации, - постоянная распространения.

Переменная составляющая плотности полного тока:

на катоде

Плотность тока и поле на катоде связаны законом Ома

где – проводимость катодного контакта.

Пользуясь выражениями для тока, преобразуем выражение для :

Используя выражение для и , получим удельное сопротивление образца:

Проанализируем полученное выражение. Первое слагаемое характеризует влияние условий на катоде на общее сопротивление, второе слагаемое – влияние свойств объема полупроводника, а третье – пролетных эффектов в этом объеме.