Эффект Ганна - Левинштейн М.Е.
Скачать (прямая ссылка):
активном слое (L = 25 мкм, ai - 150 Вт/см), п+-подложке (I- = 4 мкм,
02=120 Вт/см) и теплоотводе •/'С4=3,88 Вт/см - медный теплоотвод [33].
Пунктирные кривые построены для перепада температур в активном слое (L=25
мкм, ai = = 150 Вт/см) для идеального теплоотвода.
При одной и той же плотности
мощности Q влияние л+-слоя можно оценить по разности ординат сплошной и
пунктирной кривых при равной нулю площади контакта (см. (12.7) при а = 0
и ? = 0). Как видно из рисунка [см. также (12.7)], это влияние особенно
существенно при больших значениях Q. Из рис. 12.6 видно также, что
конечная величина теплопроводности теплоотвода сильнее оказывается при
больших значениях Q и площади диода [сравнить с (12.7)]. Отсюда понятно,
что разбиение диода на несколько отдельных меза-структур может
существенно улучшить условия теплоотвода. Такой конструктивный прием
часто используется на практике [34].
254
Таблица 12,1
Тепловые характеристики некоторых материалов при комнатной температуре
Вещество Удельная теплоемкость S, Дж/кг-град Коэффициент
теплопроводности К. Вт/см-'-град Температуропроводность х, сма/с
Плотность р, Г/СМЗ (KpS)1/2, Дж/(см2*град-с)
GaAs 0,3 0,5 0,31 5,3 0,9
Ag 0,23 4,1 1,7 10,4 3,1
Си 0,39 3,88 1,125 • 8,9 3,7
Sn 0,23 0,65 0,39 7,3 1
Аи 0,125 2,93 1,21 19,3 2,65
Мо 0,25 1,45 0,48 10,2 1,95
№ 0,425 0,62 0,18 8,1 1,45
А1 0,9 2,1 0,87 2,7 2,2
Алмаз II 0,51 20 11,1 3,52 6,0
Как видно из выражения (12.7), увеличение теплопроводности теплоотвода в
р раз эквивалентно с точки зрения перегрева диода уменьшению в |32 раз
площади контакта. Отсюда следует, что если использовать, например, в
качестве теплоотвода не медь, а алмаз II, теплопроводность которого более
чем в пять раз выше, то при площадях контакта, меньших или порядка 5"10-4
см2, и параметрах диода, использованных при построении рис. 12.6,
теплоотвод можно практически считать идеальным.
Резкого снижения перегрева диода при тех же рабочих параметрах можно было
бы добиться, используя двухсторонний теплоотвод (как со стороны анода,
так и со стороны катода). Однако попытки реализации такой конструкции
наталкиваются на значительные трудности, связанные с возникновением
сильных механических напряжений. Улучшения теплоотвода можно добиться
также за счет отвода тепла в поперечном направлении, используя диэлектрик
с высокой теплопроводностью. Эффективной может также оказаться
конструкция, использующая последовательно соединенные диоды (гл. 8),
отделенные друг от друга теплоотводящими слоями [2].
При больших удельных мощностях, характерных для диодов Ганна,
использование жидкости для охлаждения отдельных приборов не дает хороших
результатов из-за парообразования и возникновения на поверхности
охлаждаемого диода отдельных горячих пятен. Жидкостное охлаждение
эффективно лишь при сравнительно малой удельной мощности (Ро ^ 1000
Вт/см2) (см. [2]). Поэтому жидкость целесообразно использовать лишь для
охлаждения больших общих теплоотводов нескольких ганновских приборов.
Из изложенного выше следует, что перегрев диода при работе в непрерывном
режиме ограничивает максимальную мощность, которую можно получить от
генератора Ганна. Как указывалось в гл. 7 и 8, другой причиной, которая
также может ограничивать выходную мощность в пролетных режимах работы,
является ударная ионизация в домене. Чтобы ударная ионизация в домене не
приводила к выходу диода из строя, необходимо, чтобы в образце не
возникало связанное с ударной ионизацией S-обратиое отрицательное
дифференциальное сопротивление (гл. 7). Соответствующее условие для
n0<CttKp можно получить, используя формулу (7.10а):
Е0 ^
Здесь Еi - характерное поле ударной ионизации, равное для GaAs 550 кВ/см,
пх"2,7-1018 (10"2/L (см)2/3. Из сравнения критериев (12.17) и (12.11)
получаем, что при идеальном теплоотводе диод длиной
24гмг In (пх/по) In (Ткр/То)
(12.18)
с увеличением концентрации носителей и (или) с возрастанием напряжения
смещения выйдет из строя из-за процессов ударной ионизации. Напротив, при
L>LKр диод при работе в непрерывном режиме выйдет из строя из-за
перегрева. Принимая \n(Tiqi/To) "0,5; 1п(лж/яо) ~9,5 (остальные значения
параметров взяты такими же, как и при других оценках), получаем для GaAs
LKP"13 мкм.
Используя выражение (7.106), можно проделать аналогичное исследование для
поЗ>гакр. Такое исследование показывает, что при по^$>пкр, даже при
идеальном теплоотводе, в непрерывном режиме фактором, ограничивающим
возможость получения высокой выходной мощности, практически всегда
является тепло.
Выше мы не рассматривали, какой именно физический механизм (деградация
контактов, тепловой пробой или уменьшение отрицательной дифференциальной
проводимости) ответствен за выход диода из строя при достижении
температуры Гкр.
Для материала, в котором концентрация электронов в зоне проводимости п0
контролируется глубокими донорными уравнениями, величина п0
экспоненциально зависит от температуры. В этом случае даже небольшой
