Физика полупроводниковых приборов Книга 2 - Зи С.
Скачать (прямая ссылка):
переменного напряжения приведены на рис. 14. Там же указаны значения к.
п. д. Отметим, что реактивная проводимость обычно возрастает с
увеличением амплитуды напряжения, а отрицательная активная проводимость
убывает. Результаты расчетов показывают, что к. п. д. может достигать 18
%. Эта величина близка к максимальной экспериментально полученной
величине к. п. д. кремниевого лавинного-пролетного диода. Тем не менее в
некоторых модифицированных диодах Рида из арсенида галлия к. п. д.
достигал 40 %. Ниже мы рассмотрим ограничения на величину генерируемой
мощности и коэффициент полезного действия.
10.4.2. Температурные ограничения
При низких частотах характеристики ЛДП в непрерывном режиме генерации
ограничены в первую очередь температурным фактором, т. е. мощностью,
которая может быть рассеяна в виде тепла в полупроводниковом кристалле.
Типичный способ монтажа прибора показан на рис. 15, а. Упрощенная
структура диода и теплоотвода изображена на рис. 15, б. Полное тепловое
сопротив-
176
Глава 10
1едь или алмаз ч.
Источник тепла с постоянной температурой
111
-• 2 г ¦ *
Si (Zs) ds
h (Zt) di
Au (xs) dg
г7'У / / ~г / г~7- Nt 7 ? 4W,,, ~3ii
'(fcV///////
Рис. 15, Диод, смонтированный на медном теплоотводе, в металлическими
слоями, йспользуемыми для термокомпрессированного соединения золото -
золото (а), упрощенная структура диода и теплоотвода (о) и зависимости
полного теплового сопротивления Rr (°С/Вт) и его компонент От площади
диода (в) [32].
б
10 '
1
С 10 1
I
Г'
SX ¦ LA\\r s. Y' V in _ in S ный теп/гоатдад) азный теллсотдод)
ft? ^ 4 N s \ ^ 1
XK 9
10
10
-4
ю
-3
10'
Площадь диода, см 2
ление для кругового источника тепла радиусом г на глубине d3 в кремнии
равно [32]
Rt = Rs + Rt + Rg + Rn + Re =
= nr (- ~h - -f - + -)~h -r-• (46)
A \ ks ~ щ Kg %n l* 4як0 ' '
Символы поясняются рис. 15, б. Последнее слагаемое равно тепловому
сопротивлению теплоотвода, занимающего бесконечное полу-
Лавинно-пролетные диоды
177
" ....... ~~ ----------------------------
Таблица 1. Теплопроводность и типичные значения толщин слоев различных
материалов для диода, работающего в диапазоне частот 15-18 ГГц
при 300 К
Материал Теплопроводность И, Вт/(см> К) Толщина d, мкм djv. 10-*
см2- К/Вт
Кремний 1 0,80 3,00 3,80
Титан 0Д6 0,02 0,13
Золото 3,00 12,50 4,20
Никель 0,71 0,20 0,28
Медь 3,90 - -
Алмаз 20,00 '
* Теплопроводность для кремния дана при 500 К (по предположению при
максимальной рабочей температуре).
пространство. Зависимости различных компонент теплового сопротивления от
площади диода приведены на рис. 15, в. Штриховыми линиями показаны
составляющая теплового сопротивления алмазного (тип II) теплоотвода и
соответствующее полное тепловое сопротивление RT> Предполагается, что
теплопроводность алмаза при 300 К в 3 раза превышает соответствующую
величину для меди, а значение теплопроводности кремния соответствует
максимальной рабочей температуре 500 К (табл. 1). Из рисунка видно, что
алмазный теплоотвод уменьшает тепловое сопротивление приблизительно в 2
раза, a RT убывает с ростом площади диода.
Мощность Р, которая может быть рассеяна в виде тепла в диоде, должна быть
равна мощности, которая может быть передана в теплоотвод. Поэтому Р равно
AT/RT, где АТ - разность тем* ператур р-/г-перехода и теплоотвода. Если
реактивная проводимость 2nfC (где С *=Ле8/№) остается постоянной, а
основной вклад в тепловое сопротивление вносит полупроводник (в
предположении, что ds ^ W), то для заданной величины АТ
<47>
В этих условиях величина генерируемой в непрерывном режиме мощности
уменьшается пропорционально 1//.
10,4.3, Ограничения, связанные со свойствами носителей
Максимальная выходная мощность диода на заданной частот* вависит от
предельных характеристик' полупроводниковых материалов, а также от
достижимого в СВ^-цепйх уровня импеданса.
178
Глава 10
Ограничения, вытекающие из свойств полупроводниковых материалов, связаны
со следующими параметрами: 1) величиной напряженности электрического поля
S'm, при которой происходит лавинный пробой; 2) максимально достижимой
скоростью дрейфа носителей в полупроводнике vs - скоростью насыщения.
Максимальное приложенное к полупроводниковому образцу напряжение
ограничено напряжением пробоя, которое в случае однородной лавины равно
Vm где W - ширина обед-
ненной области. Поскольку ток увеличивает напряженность электрического
поля в области пространственного заряда (это следует из уравнения
Пуассона), максимальная величина протекающего в образце тока также
ограничена лавинными процессами. Если максимальное электрическое поле
равно &>т, максимальный ток определяется выражением Irn = S'mesvsA/W.
Следовательно,, верхний предел потребляемой от источника питания мощности
Pm*=VJn = ffte,v.A. (48)
Частота, соответствующая углу пролета 0 -я, равна
I~ 2 (И? - ха)
и f =* -^г для W"хА. (49а)
Равенство (48) можно записать в виде
Л/ = 81&1ЪпХс, (50)
где Хс = (2nfC)~l - реактивная составляющая импеданса.
