Физика полупроводниковых приборов Книга 2 - Зи С.
Скачать (прямая ссылка):
Если предположить, что величина импеданса цепи не может быть меньше
некоторого значения, то из выражения (50) следует, что максимальная
мощность, которая может быть передана подвижным носителям, уменьшается с
частотой по закону 1 if2. Можно ожидать, что это электронное ограничение
будет основным на частотах выше 30 ГГц в кремнии и арсениде галлия.
Следовательно, в режиме непрерывной генерации на относительно низких
частотах существенны температурные ограничения (Р ~ 1//), а на более
высоких частотах - ограничения, связанные со свойствами носителей (Р ~
I//2)- Граничная частота, разделяющая эти интервалы, для данного
полупроводника зависит от максимально допустимого увеличения температуры,
минимально достижимого уровня импеданса цепи и произведения <!§т на vs.
Для рабочих температур в диапазоне J50-200 °С максимальная напряженность
электрического поля <§т в кремнии почти на 10 % меньше, чем в арсениде
галлия, а скорость насыщения vs в кремнии почти в 2 раза больше. Поэтому
на частотах, больших 30 ГГц, выходная мощность кремниевого ЛПД должна по
рас-
Лавинно-пролетные диоды
179
четам приблизительно в 3 раза превышать выходную мощность ЛПД из арсенида
галлия, работающего на техьже частотах [33]. Можно полагать, что в
области субмиллиметровых длин волн выгоднее использовать диоды Мисавы, в
которых электрическое поле однородно, так как они обладают широким
диапазоном частот, в котором сопротивление отрицательно, а пролетные
эффекты не играют такой важной роли в появлении отрицательного
сопротивления, как в диодах Рида [34].
При работе в импульсном режиме, когда температурные эффекты можно не
учитывать (т. е. при очень коротких импульсах), предельно достижимая
мощность на любых частотах Р ~ М[1.
10.4.4. Ограничения на коэффициент полезного действия
Для эффективной работы ЛПД необходима генерация в области лавинного
умножения максимально допустимой величины заряда Qm при условии, что
электрическое поле в области дрейфа не упадет настолько, что скорость
носителей станет меньше скорости насыщения. Движение заряда Qm через
область дрейфа приводит к появлению переменной составляющей напряжения на
диоде mVD, где т - коэффициент модуляции (т < 1) и VD - среднее падение
напряжения на области дрейфа. На оптимальней частоте ~vJ2W движение
заряда также приводит к возникновению переменного тока проводимости,
который отстает по фазе на угол ф от переменного напряжения на диоде.
Средняя величина тока проводимости равна постоянному току J0.
Следовательно, ток проводимости может изменяться лишь в пределах
0-2/0. В случае прямоугольного импульса тока проводимости и
синусоидального изменения напряжения на диоде по амплитуде и фазе к. п.
д. генерации СВЧ-мощности г| равен [31, 351
__________Мощность генерируемого сигнала
^ Мощность, потребляемая от источника питания
(2./0/л) {mVо) . 1 2т 1 , л . /сГ1ч
" Jo(Va + Vd) ^ l + VA/VD lc0S(Pl' (51)
где VA - падение напряжения на области лавинного умножения, а сумма VA и
VD равна полной величине приложенного постоянного напряжения. Угол ср
равен запаздыванию фазы тока проводимости. При идеальных условиях ф
=180°, а | cos ф| = 1. Для диодов с двумя дрейфовыми областями напряжение
VD в выражении (51) следует заменить на 2VD. Здесь мы не учли вклад
области умножения, поскольку напряжение на этом слое носит индуктивный
характер и сдвинуто по фазе относительно тока проводимости на -f л/2. Ток
смещения сдвинут по фазе относительно напряжения на 4-л/2 и поэтому тоже
не даст вклада в среднюю генерируемую мощность.
180
Глава 10
Из выражения (51) еледует, что для повышения к. п. д. диода необходимо
увеличивать коэффициент модуляции, оптимизировать угол запаздывания фазы
так, чтобы он был близок к 180°, и уменьшать отношение VA/VD. Тем не
менее для того, чтобы лавинный процесс начинался быстро, напряжение VA
должно быть достаточно велико. При уменьшении отношения VA/VD ниже
некоторого оптимального значения происходит резкое снижение к. п. д.
диода практически до нуля [31].
Если зависимость скорости от поля такая, что насыщение дрейфовой скорости
происходит при очень малых значениях напряженности электрического поля,
то коэффициент модуляции 1 и скорость носителей все время равна скорости
насыщения. В арсениде галлия л-типа эффективное насыщение дрейфовой
скорости происходит при полях ~108 В/см, а для кремния п-типа - при -2-
104 В/см. Следовательно, в диодах из арсенида галлия л-типа можно
получить значительно большие амплитуды переменного напряжения и более
высокие к. п. д. [36-38].
Для того чтобы оценить оптимальное значение отношения VJVd, предположим,
что пролетная частота, определяемая равенством (49), приблизительно на 20
% превышает резонансную частоту (выражение (37)):
= <52>
Напряжение VD равно
VD-{$D){W-xA) = ($D)vj2f, (53)
где (<ГС> - средняя напряженность электрического поля в области дрейфа.
При 100 %-ной модуляции тока (/0 = Jdc - Jac) максимальная величина
