Лавинно-пролетный диод

Содержание
Введение..................................................................................................
3
1 Основные особенности лавинно-пролетных диодов.........................
4
2Диоды с полевой эмиссией..................................................................
9
3Принцип работы ЛПД..........................................................................
15
Заключение..............................................................................................
19
Список использованной литературы.....................................................
20

ВВЕДЕНИЕ
Настоятельнаянеобходимость миниатюризации аппа­ратуры СВЧ, повышение ее экономичности инадежности вызвала быстрый рост рабочих частот полупроводнико­вых приборов.Наряду с большими успехами в техноло­гии транзисторов этому способствовалооткрытие новых физических явлений в полупроводниках, сделавшее воз­можнымразработку приборов, адекватных СВЧ диапа­зону.
Одним изпервых явлений такого рода было обнару­женное СВЧ излучение при ударнойионизации  в р-п переходах, послужившееосновой для создания в1959 г. новых СВЧприборов—лавинно пролетных диодов (ЛПД).
Набазе ЛПД создаются и быстро совершенствуются разнообразные приборы иустройства, в первую очередь генераторы когерентных и шумовых колебанийсантиметрового и миллиметрового диапазонов. Малые габариты и вес,экономичность, виброустойчивость и т. п. позволяют отнести генераторы на ЛПД кчислу наиболее перспектив­ных источников электромагнитных колебаний СВЧ,открывающих широкие возможности развития СВЧ микросхемотехники.

1 ОСНОВНЫЕОСОБЕННОСТИ ЛАВИННО-ПРОЛЕТНЫХ ДИОДОВ
Характернойособенностью развития современной ра­диотехники является быстрое продвижениеполупроводниковых приборов в область сверхвысоких частот. Про­гресс в этомнаправлении был достигнут в результате значительного усовершенствованиятехнологии изготовления высокочастотных транзисторов, разработки тун­нельныхдиодов и диодов с переменной емкостью (варакторов). Хотя все эти приборыпоявились совсем недавно, они уже широко применяются в диапазоне СВЧ в ка­честве  элементов высокочувствительных приемныхустройств и умножительных цепочек. Однако до послед­него времени не удавалосьсоздать эффективного авто­генератора сантиметровых волн, который мог бы слу­житьтвердотельным эквивалентом одного из основных электровакуумных приборов СВЧ— отражательного кли­строна.
Этот пробелв значительной мере восполняет новый полупроводниковый СВЧ прибор— лавинно-пролетный диод (ЛПД),являющийся основой целого класса СВЧ устройств; генераторов, усилителей ипреобразователей частоты.
В процессе исследования зависимости коэффициентапреобразования частоты в диапазоне СВЧ на параме­трических полупроводниковыхдиодах от величины при­ложенного к диоду постоянного смещения и мощностинакачки было установлено, что при больших значениях обратного напряжения,превышающих пробивное, неко­торые из диодов генерировали СВЧ колебания и в от­сутствиесигнала накачки.
Диффузионныедиоды с меза-структурой и одним р-п переходом, сформированным путем диффузиимышьяка в германий р-типа, легированный галлием (рис.1).

Рис. 1.Структурадиода.
Рис. 2.Схема включения ЛПД в цепь постоянного тока.
Диодпомещали в высокочастотный резонатор и вклю­чали в цепь постоянного тока, какпоказано на рис. 2. Генерация СВЧколебаний наблюдалась при отрица­тельных напряжениях, на0,5—1,5 В, превышающих про­бивное напряжение, когда через диодпроходил постоян­ный ток от0,5 до10—15 мА. Мощность колебаний в не­прерывномрежиме составляла для различных диодов величину от десятков микроватт донескольких милли­ватт. Спектр колебаний в зависимости от тока, текущего черездиод, и настройки резонатора изменялся от близ­кого к шумовому до почтимонохроматического. Длина волны колебаний лежала в пределах от0,8 до10см 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 недовозбужденномрежиме вблизи порога генерации наблюдалось регенеративное усиление СВЧколебаний с коэффициентом усиления15—20дб. Диоды на которых были получены генерация и усиление СВЧ колебаний, какправило, не давали заметной паразитной генерации на более низких частотах, хотяне при­нималось специальных мер для ее подавления.
Рис 3. Обратная ветвь вольтамперной характеристики ЛПД
Ужепервые эксперименты показали, что основным признаком генерирующих диодов,является форма об­ратной ветви их вольтамперной характеристики, пока­занной нарис. З сплошной линией. Как видно из ри­сунка, особенностью этой харак­теристикиявляется резкий излом при пробивном напряжении Uпр. Приотрицательных напряжениях, меньших (по абсолютной величи­не)Uпр,ток,текущий через диод (ток насыщения), очень мал и со­ставляет для различныхдиодов от 0,01 до1 мкA. ПриU=Unpвольтамперная характеристикапретер­певает резкий излом, ток резко возрастает и при дальнейшем уве­личенииотрицательного смещения растет почти линейно с на­пряжением. Максимальное значе­ниепостоянного тока диода огра­ничивалось опасностью теплового пробоя, выводящегодиод из строя.
Наклонвольтамперной характеристики на рабочем участке был всюду положительным исоответствовал положительному дифференциальному сопротивлению Rдслабозависящему от тока и лежащему для различных диодов в интервале50—300 Ом.
Вольтампернаяхарактеристика негенерировавших диодов, как правило, отличалась более или менееплав­ным увеличением тока вблизи пробивного напряжения (штриховая кривая рис.З) и большим значением диф­ференциального сопротивления Rдна этомучастке.Нанекоторыхдиодах приU>Uпрнаблюдались скачки тока, соответствующие участкам вольтамперной характеристи­кис отрицательным наклоном. Эти диоды в ряде слу­чаев давали низкочастотнуюгенерацию(1—10 кГц), но, как правило, негенерировали СВЧ колебания.
Последующиеэксперименты показали, что подобные же явления (генерация СВЧ колебаний) могутнаблю­даться и на диодах другой структуры: диффузионных на базе n-германия, сплавных германиевых диодах с рез­ким  р-п переходом, диффузионныхи сплавных кремние­вых диодах и т. д.
Такимобразом, была установлена возможность эф­фективной (с КПД> 1%)генерации, а также усиле­нияСВЧ колебаний полупроводниковым диодом, вольтамперная характеристика которогоне имеет «падающих» участков или, иначе говоря, не имеет «статического» от­рицательногосопротивления.
Физическая при­рода этого динамическогоотрицательного сопротивления связана с процессом ударной ионизации в р-ппереходе и с взаимодействием образованной при этом лавины свободных носителейтока (электронов и дырок) с вы­сокочастотным полем в слое объемного заряда(запой­ном слое) обратно смещенного р-п перехода. Действи­тельно, известно дваосновных механизма резкого воз­растания тока в обратно смещенном р-п переходе —ла­винный пробой вследствие ударной ионизации атомов кристалла подвижнымиэлектронами и дырками и эф­фект Зинера—туннельный переход носителей заряда из заполненной зоны одного полупроводника всвободную зону другого. Эффект Зинерапроявляется лишь в достаточно узких р-п переходах с напряжением пробоя меньше5 В для германия. В нашем случае это напряжение превышало20 В, так что возрастание тока можно было целиком отнести за счетударной иони­зации. Исследования подтвердили это предположение, и диоды, вкоторых наблюдался эффект генерации СВЧ колебаний, были названылавинно-пролетными.

2 ДИОДЫ С ПОЛЕВОЙЭМИССИЕЙ

Диодыс динамическим отрицательным сопротивле­нием известны в вакуумной электроникеуже60 лет. Л. Левеллин экспериментальнопоказал возможность создания на основе такого диода генератора СВЧ. Схема подобного генератора включает диодныйпроме­жуток, ограниченный двумя электродами —катодом и анодом, к которым приложена постояннаяU0и пере­меннаяU~разности потенциалов, и внешний колеба­тельныйконтур.
Стермоэмиссионного катода в диодный промежуток поступает немодулированный потокэлектронов. Под дей­ствием переменного поля скорость электронов изменя­ется, ипервоначально однородный электронный поток группируется. При этом средняя (запериод) энергия взаимодействия электронов с переменным полем оказы­ваетсяотличной от нуля и зависящей от угла пролетаэлектроновв диоде q= wt(t—времяпролета электро­нов). В определенных интервалах значений угла пролета
2pn qЭта энергияотрицательна, т. е. происходит трансформация кинетической энергии электронов вэнергию высокочастотного поля. В соответствующих диапазонах частот активноесопротивление диода отрицательно.
Однакопоскольку группировка электронов и отбор высокочастотной мощности происходят водном и том же пролетном пространстве при отсутствии в этом простран­ствезамедленных электромагнитных волн, эффектив­ность такого взаимодействияневелика и абсолютная ве­личина активного сопротивления диода много меньшевеличины его реактивного (емкостного) сопротивления. Поэтому для созданияавтогенератора в СВЧ диапазоне приходится подключать к диоду внешний контур свысо­кой добротностью и снимать с катода очень большие плотности тока. В связис этим реализация подобных генераторов встретила значительные трудности и онине нашли практического применения.
Междутем существует принципиально простой спо­соб резкого повышения эффективностидиодных генера­торов. Он заключается в замене модуляции электронов по скоростимодуляцией по току на входе в диодный промежуток.
Допустим,что вместо термоэмиссионного катода в диоде используется какой-либо типавтоэмиссионногокатода с достаточно резкойзависимостью тока эмиссии от напряженности электрическогополя. В этом случае выходящий из катода поток электронов будет модулирован поплотности с частотой приложенного напряжения.
Активноесопротивление такого диода может принимать отрицательные значения и приотсутствии дополнитель­ной группировки электронов в диодном промежутке. Этохорошо видно на пространственно-временной диаграмме движения электронов в диодес полевой эмиссией, изо­браженной на рис.4а. Сгустки электронов, вырванные из катода вмоменты максимума высокочастотного поля, движутся сначала в ускоряющем, а затемв тормозящем поле, и, если угол пролета между катодом и анодом превышает p, активное сопротивлениедиода отрицательно и достигает максимальной величины при q»3/2 p(рис. 1.2, а).Дополнительная группировка электронов за счет модуляции по скорости в диодномпромежутке игра­ет при этом второстепенную роль. Как условия возбуж­дения, таки к. п. д. такого генератора могут быть зна­чительно лучшими, чем у диодныхгенераторов со скоростной модуляцией электронов.
Рис.4а относится к случаю, когда ток эмиссии мгно­венноследует за напряженностью электрического поля. Допустим теперь, что покаким-либо причинам ток эмиссии отстает во времени от напряженностиэлектрического поля. Причины такого запаздывания эмиссии могут быть различными.
Рис.1.1. Пространственно-вре­менная диаграммадвижения электронов в диоде с полевой эмиссией:
а) без запаздывания эмиссии;
б) с запаздыванием эмиссии.
Зависимостьактивного сопротивления такого диода от угла пролета электронов без учета элек­тронногопространственного заряда схематически изобра­жена на рис.5б. Видеальном случае КПД такого генератора может достигать больших значений.
Рис.5. Активное сопротивление диода с полевой эмиссией:
а) без запаздывания эмиссии;
б) с запаздыванием эмиссии.
Впредыдущих рассуждениях мы исходили из чисто кинематической модели, пренебрегаявлиянием объем­ного заряда на группировку электронов в диодном про­межутке.Между тем это влияние во многих вариантах диодных генераторов отнюдь не мало.Особенно суще­ственна роль объемного заряда в диодах с полевой эмиссией, вкоторых электронный объемный заряд, сни­жая напряженность электрического поля укатода, непо­средственно влияет на ток эмиссии. По существу элек­тронныйобъемный заряд создает в диоде своеобразный механизм внутренней отрицательнойобратной связи. Если ток эмиссии мгновенно следует за полем, то дейст­вие этойотрицательной обратной связи сводится лишь к ограничению протекающего черездиод среднего тока. Однако, если эмиссия инерционна, положение суще­ственноменяется.
Отставаниетока эмиссии от поля эквивалентно введениию в отрицательную обратную связьзапаздывания, что существенно влияет на колебательные свойства си­стемы.Обладая определенными дисперсионными свой­ствами, такая обратная связь на однихчастотах облег­чает условия возбуждения автоколебаний в системе, сни­жаятребования к добротности внешнего резонансного контура, а на других, напротив,ухудшает эти условия вплоть до полного подавления автоколебаний. Более то­го,при некоторых условиях эта связь может оказаться достаточной, чтобы в диодевозникли собственные автоколебания, вообще не нуждающиеся во внешнем доброт­номрезонансном контуре. В этом случае диодный про­межуток работает какавтоколебательная система, созда­вая во внешней активной нагрузке импульсы токас ча­стотой, определяемой временем запаздывания и скоро­стью «срабатывания»отрицательной обратной связи.
Колебательныйпроцесс в таком генераторе можно схематически представить следующим образом(рис.6).
Допустим,например, что время пролета электронов в диоде tне зависит отвысокочастотного поля и вдвое превышает время запаздывания эмиссии. Пусть вмомент времени t=0 к диоду приложена разность потенциаловU0,создающаяу катода напряженность по­ля Е=Е(0), превышающую наDE(0)критическое значениеEnp,прикотором начинается эмиссия электронов.
Рис. 6. Изменение во времени поля у катода Е(0) и токаIЭв диоде сзапаздывающей эмиссией.
Приt=t1=t3возникает ток IЭ, величинакоторого определяется полем Е(0) исохраняется неизменной в течение времени t3. По мере увеличения объемногозаряда в диодном промежутке поле у катода снижается и, если плотность токаэмиссии достаточно высока, принимает значения, меньшие Uпр. Эмиссияиз катода длится в течение времени, несколько превышающего t3, и затем  прекращается.  К  ано­ду  движется пакет электронов. В  момент t2=t+2t3+Dt»3/2tпервые электроны пакета достигают анода, поле у катоданачинает возрастать. К моменту t2=t+2t3+Dt»3/2tвесь пакет электронов выходит из пролетногопространства, поле у катода достигает начальной величины. Затем циклповторяется. Длительность цикла, т. е. период колебаний, составляет, такимобразом, около 2p/w. Добавление поляэлектронного пространственного заряда нарушает описанные выше фазовыесоотношения между током эмиссии и электрическим полем в диодном промежутке, врезультате чего на частотах, ниже некоторого значения, активное сопротивлениедиода становится положительным. Эта так называемая харак­теристическая частотазависит от запаздывания и кру­тизны изменения тока эмиссии с полем; она близкак ча­стоте собственных автоколебаний диода.
Изложенныесоображения носят общий характер и полностью применимы не только к вакуумным,но и к диодам других типов —диэлектрическим,полупровод­никовым и т. п., с учетом, разумеется, специфики движе­ния носителейзаряда в твердых телах. В частности, эти соображения имеет непосредственноеотношение к меха­низму работы лавинно-пролетных диодов.

3ПРИНЦИП РАБОТЫ ЛПД

Схематическимеханизм работы р-n ЛПД можно представить следующим образом. Рассмотрим дляопре­деленности запорный слой обратно смещенного плавно­го p-nперехода (рис.7).Он представляет собой уча­сток полупроводника, в котором практически отсутству­ютподвижные носители заряда, а приложенная к р-nпереходу разность потенциалов компенсируется полем объемногозаряда ионов примесиNnиNp,положитель­нымв одной части запорного слоя (n-слой) и отрица­тельным— в другой (p-слой). Этот участокограничен с обеих сторон нейтральными слоями полупроводника. Напряженностьэлектрического поля Е максимальна вплоскости х=0, где объемный зарядионов примеси меняет знак (плоскость технологического перехода). По мереувеличения напряжения смещения запорный слой расширяется и напряженностьэлектрического поля воз­растает. Когда поле в плоскости технологического пере­ходадостигает некоторого критического значения Е= Еnp,начинаетсяинтенсивный процесс ударной иониза­ции атомов кристалла подвижными носителямизаряда, приводящий к лавинному умножению числа носителей и образованию новыхэлектронно-дырочных пар.
Область,где происходит рождение носителей заряда, ограничена более или менее уз­кимслоем — так называемым слоем умножения,рас­положенным вблизи технологического перехода, где полемаксимально(рис.7).Образованные в слое умноже­ния электроны и дырки дрейфуют под действиемсильного электрического поля к границе нейтрального полу­проводника черезпролетные участки запорного слоя, причем дырки движутся через р-слой,  а, электроны через п-слой. Так как  напряженность электрического поля в большейчасти р-п перехода очень велика, то скорость дрейфа носителей практическипостоянна и не завялит от поля.
Рис. 7. Схема плавного р-п перехода ЛПД:
а) запирающий слой;
б) распределение ионов примеси;
в) измение электрического поля.
Такимобразом, обратно смещенный р-п переход при напряжении, близком к пробивному,представляет собой диодный промежуток, в котором роль катода играет слойумножения, а роль пролетного пространства— остальнаячасть запорного слоя. Эмиссия такого катода носит ярко выраженный «полевой»характер — ток, вы­ходящий из слояумножения, возрастает или убывает в зависимости от напряженности электрическогополя в этом слое. Лавинная природа тока эмиссии обуслов­ливает егоинерционность — для развития лавины требу­етсяопределенное время, так что мгновенное значение электрического поля определяетне саму величину лавин­ного тока, а лишь скорость его изменения во времени.Поэтому изменение тока не следует мгновенно за изме­нением электрического поля,а отстает от него по фазе на величину, близкую к p/2.
Такойр-п переход близок по свойствам к оптималь­ному варианту полевого диода, вкотором ток эмиссии отстает от поля на четверть периода. Под действием приложенного к р-п переходу переменного напряженияиз слоя умножения выходят «пакеты» носи­телей заряда, которые сразу попадают втормозящее вы­сокочастотное поле, так что энергия взаимодействия этих носителейс полем отрицательна почти при любой ши­рине р-п перехода. Отсутствие модуля­ции скорости носителей вэтом случае лишь улучшает высокочастотные свойства диода.
Поэтомуосновные выводы о свойствах полевого дио­да с запаздывающей эмиссией, сделанныевыше, приме­нимы и к лавинно-пролетному диоду. Это касается, в частности,соображений о влиянии объемного заряда под­вижных носителей на колебательныесвойства генератора на лавинно-пролетном диоде. Попадая в пролетноепространство, основные носители частично нейтрализуют пространственный зарядионов примеси и снижают поле в слое умножения. Этот эффект облегчает условиясамо­возбуждения генератора на частотах выше характери­стической и препятствуетвозникновению паразитных колебаний на более низких частотах, где активное со­противлениедиода положительно.  
Вместе стем, ЛПД имеет специфические особенно­сти, связанные с лавинной природой тока,из которых принципиальной является одна: сдвиг по фазе между полем и током вслое умножения, вследствие конечной ширины последнего, как правило, превышает p/2, и слой умножения сам посебе уже обладает отрицательным сопротивлением. В большинстве практическиреализуе­мых р-п структур этот эффект является второстепенным, однако дляодного класса диодов он играет решающую роль, определяя основные особенности ихвысокочастот­ных характеристик.
Сдвиг фазмежду током и напряжением на диоде определяется в этом случае инерционностьюпроцесса ударной ионизации и пролетными эффектами во всем запорном слог. Вместеэти эффекты обеспечивают достаточно высокую эффективность взаимодействияносителей тока с высо­кочастотным электрическим полем, сравнимую с эффек­тивностьювзаимодействия в ЛПД других типов.
Наряду славинно-пролетным могут, очевидно, су­ществовать и другие полу­проводниковыедиоды с ди­намическим отрицательным сопротивлением. Так, напри­мер, этимсвойством должен в принципе обладать обрат­но смещенный р-п переход, в которомпробой связан не с ударной ионизацией, а с эф­фектом Зинера (туннельнымэффектом). Так как участок, где происходит рождение по­движных носителей тока,в этом случае локализован в тонком слое, где электриче­ское поле максимально,та­кой полупроводниковый ди­од (его можно назвать «туннельно-пролетным диодом»)должен быть, очевидно, ана­логичен по своим свойствам, вакуумному диоду с авто­эмиссионным катодом. Ес­ли  возможно пренебречь инерцией туннельного эффек­та,то в отличие от лавинно-пролетного диода в диоде Зинера ток и поле у «катода»следует считать синфазными. Как отмечалось выше, и в этом случае в определен­ныхинтервалах значений угла пролета носителей заряда активное сопротивление р-пперехода может быть отри­цательным. Однако отсутствие запаздывания в механиз­меобратной связи, создаваемой объемным зарядом по­движных носителей, ухудшаетусловия самовозбуждения колебаний. Поэтому генераторы на диодах Зинера осу­ществитьтруднее, чем генераторы на лавинно-пролетных диодах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Современнаятехника СВЧ немыслима без применения полупроводниковых диодов.Видеодетектирование, гетеродинное смешение, усиление слабых сигналов, генерациягармоник, коммутация СВЧ мощности – таковы функции, выполняемые в настоящеевремя полупроводниковыми диодами в СВЧ системах. Естественно, что такоемногообразие применений приводит к многообразию требований, предъявляемых кхарактеристикам различных типов диодов. Чтобы удовлетворить этим требованиям,разработчик диодов имеет определенную свободу в выборе  полупроводникового материала, из которогодолжны быть изготовлены диоды, его удельного сопротивления, технологии изготовлениядиода, его геометрии. Причем набор оптимальных электрофизических параметровполупроводникового материала и его геометрических размеров может быть сделанлибо на основе эмпирического характера, либо на основе теории, дающей связь междуэлектрофизическими параметрами полупроводника и его геометрическими размерами.

СПИСОКИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. А.С. Тагер, В.М. Вальд-Перлов.Лавинно-пролетные диоды и их применение в технике СВЧ. М., «Сов.радио», 1968.
2. С.Н. Иванов, Н.А. Пенин, Н.Е.Скворцова, Ю.Ф. Соколов. Физические основы работы полупроводниковых СВЧ диодов.М., 1965.
3. Пасынков В.В, Л.К. Чиркин, А.Д.Шинков. Полупроводниковые приборы и диэлектрики». М., «Высш. школа», 1973.