Физика полупроводниковых приборов Книга 2 - Зи С.
Скачать (прямая ссылка):
отрицательной проводимостью в узком диапазоне частот. Напротив,
отрицательная проводимость диода Мисавы (р-i-"-диода с xA/W = 1) мала, но
диапазон частот шире и содержит низкие частоты.
10.4. МОЩНОСТЬ И КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ
10.4.1. Анализ работы в режиме большого сигнала
На рис. 11 приведены характеристики диода Рида при работе в режиме
большого сигнала. Область лавинного умножения с высоким электрическим
полем, которое генерирует электроннодырочные пары, расположена вблизи р+-
"-перехода (рис. 11, б),
(45)
172
Глава 10
а
jli.
р п и п +
Рис. 11. Характеристики диода при работе в режиме большого сигнала [4].
V- п+-структура!
а -
п
б - распределение поля при про* бое; в - энергетическая зонная диаграмма;
е - переменное напря* жение; д - инжекционный ток и ток внешней цепи для
диода Рида.
B'lVt
=ж
Инжекционныи
^/ток внешне^ цепи
?
О
___/ М ...
7\.?IL.
ж 2ж Зж 4ж
¦в
а слаболегированный v-слой образует область дрейфа с практически
однородным полем. Генерируемые дырки быстро попадают в р+ -область, а
генерируемые электроны инжектируются в область дрейфа (рис. 11, в), где
совершают работу, равную выделяемой СВЧ-мощности. При периодических
колебаниях электрического поля относительно среднего значения (рис. 11,
г) коэффициент ионизации, отнесенный к числу носителей заряда,
практически мгновенно отслеживает колебания поля. Однако концентрация
носителей не повторяет изменения поля, так как генерация зависит от числа
уже имеющихся носителей. Даже после того, как поле достигает
максимального значения, концентрация носителей продолжает возрастать,
поскольку скорость генерации все еще превышает среднее значение.
Концентрация носителей максимальна приблизительно в тот момент, когда
поле уменьшилось до среднего значения. Таким образом, изменение
концентрации инжектированных носителей запаздывает по отношению к
переменному напряжению приблизительно на 90° (это так называемое лавинное
запаздывание) даже тогда, когда коэффициент ионизации изменяется в фазе с
полем. Описанная выше ситуация проиллю-
Лавинно-пролетные диоды
173
$
Рис. 12. Результаты расчета на ЭВМ основной моды колебаний ЛПД [31} для
четырех случаев, разделенных интервалом в четверть периода.
На вставке показана фазовая траектория в координатах ток - напряжение на
зажимах.
стрирована на рис. 11, д изменением инжекционного тока. Максимум
переменного электрического поля (или напряжения) соответствует фазе я/2,
а наибольшая концентрация инжектированных носителей - фазе я (т. е. <р =
я, как показано на рис. 11). Инжектированные носители затем попадают в
область дрейфа, которую они пролетают со скоростью насыщения, внося
"пролетное запаздывание". Форма электрического тока, возбуждаемого во
внешней цепи, также приведена на рис. 11, д. Из сравнения временных
зависимостей тока и напряжения следует, что сопротивление диода
отрицательно.
Детализированные характеристики диода при работе в режиме большого
сигнала можно получить с помощью соотношений (27)-
174
Глава 10
Рис. 13. Зависимости напряжения на зажимах и тока проводимости от
пролетного угла для диода с характеристиками, приведенными на рис. 12,
при 9,6 ГГц 1311.
U 7Г 2 Л Jir
Пролетный угол в
(29) и приближенных граничных условий. Рассчитанные на ЭВМ зависимости
электрического поля и концентраций электронов и дырок от расстояния х в
обедненной области кремниевого р+-п-v-п+ -диода (при Nx = 1016 см'3, b -
1 мкм, N2 = = 1015см**3 и W - 6 мкм) в моменты времени, разделенные
промежутками в четверть периода, приведены на рис. 12 [31 ]. Отметим, что
1) генерация электронов и дырок начинается при максимальном напряжении, а
через четверть периода импульсы заряда уже полностью сформированы и
движутся через соответствующие области дрейфа; 2) дырки быстро покидают
активную область, в то время как электроны дрейфуют приблизительно в
течение полу пер иода, индуцируя положительный ток проводимости при
отрицательном напряжении; 3) за последующую четверть периода оставшиеся
электроны выносятся из активной области, так как напряжение снова
приближается к максимальному значению; 4) ток смещения достаточно большой
и положительный (соответствует положительному смещению р+ -контакта), в
то время как напряжение на зажимах диода отрицательно; 5) амплитуда
модуляции напряжения и тока велика, а эффективность вьт"окая, если
область лавинного умножения достаточно широкая.
Зависимости напряжения на зажимах диода и тока проводимости (рис. 12) от
пролетного угла приведены на рис. 13. Соотношения между фазами колебаний
напряжения на зажимах и тока проводимости близки к идеальным, показанным
на рис. 11.
Реактивная проводимость и отрицательная активная проводимость диода в
режиме большого сигнала при различных значениях
Лавинно-пролетные диоды
175
Рис. 14. Результаты расчетов реактивной проводимости и отрицательной
активной проводимости [31].
-25 -20 -15 -10 ~5 О
Проводимость, ,< ic, !см 2
