Физика полупроводниковых приборов Книга 2 - Зи С.
Скачать (прямая ссылка):
заряда Qm = mes (JTD) определяет плотность тока:
Jo = Qmf=*mzA&D)f- (54)
Если коэффициент ионизации величина а' может быть
получена следующим образом:
I da. ___ ?ос _С (^ ХА) к /сс\
d% ~~ 8 ~~ VD * ' '
Комбинируя выражения (52)-(55), получим соотношение [35]
(Va/Vd)opt ^ 4m (-i?)2 &хА. (56)
При частоте / 10 ГГц для арсенида галлия оптимальное зна-
чение VА!VD - 0,65 и т ~ 1, в то время как для кремния оно равно ~1,1 при
т =* 1/2.
Лавинно-пролетные диоды 181
Рис. 16. Зависимость к. п. д. от Va/Vd Для диодов из кремния и арсенида
галлия (о) [35] и экспериментально полученные значения к. п. д. в
зависимости 07 VdVd в Диодах с двухслойной базой из арсенида галлия (б)
[39].
SD - одна область дрейфа; DD - две области дрейфа.
На рис. 16, а приведены зависимости к. п. д. диодов из кремния и арсенида
галлия от VA/VD. При вычислении максимальных к. п. д. использованы
оптимальные значения величин, которые мы получили выше. Ожидаемое
значение максимального к. п. д. для кремниевого диода с одной дрейфовой
областью составляет около 15 %, с двумя дрейфовыми областями 21 %, а для
диодов из арсенида галлия с одной дрейфовой областью - около 38 %.
Предыдущие оценки совпадают с экспериментально полученными результатами.
На высоких частотах происходит увеличение оптимального значения VJVD, что
приводит к уменьшению максимального к. п. д. Приведенные на рис. 16, б
экспериментальные результаты для диода из арсенида галлия с одной
областью дрейфа вполне согласуются с полученными нами выше оценками [39].
На практике множество различных факторов служит причиной уменьшения к. п.
д. лавинно-пролетных диодов. К ним можно отнести влияние
пространственного заряда носителей, обратного
182
Глава 10
тока насыщения, последовательного сопротивления, скин-эффект, насыщение
коэффициента ионизации, туннельный эффект, конечность "времени лавинного
отклика" и эффекты, связанные с накоплением неосновных носителей.
Влияние пространственного заряда [40] иллюстрируется рис. 17.
Генерируемые дырки уменьшают напряженность электрического поля (рис. 17,
а), что может привести к преждевременному прекращению процесса лавинного
умножения и уменьшению угла запаздывания фазы, который в оптимальных
условиях равен 180°. По мере того как дырки дрейфуют вправо (рис. 17, б),
пространственный заряд может снизить электрическое поле на левом краю
зарядового пакета до значений, меньших, чем это необходимо для насыщения
скорости. Такое уменьшение в свою очередь приведет к изменению формы
импульса тока и снижению уровня мощности, генерируемой на пролетных
частотах.
Влияние обратного тока насыщения [41 ] иллюстрируется рис. 18. Большой
ток насыщения вызывает быстрое нарастание
Напряженность поля при пробое
Расстояние
а
Напряженность поля
I
I
/
Расстояние
\
\
\
о - процесс лавинного умножения завершен, заряд начинает двигаться
через диод;
б - пролет заряда почти закончен. Видно, что прострап-С! пенный заряд
носителей
с и п i но сннжает электриче-
ское поле
Рис. 17. Мгновенные распределения электрического поля и носителей заряда
в ди* о;к Рида |40[
Лавинно-пролетные диоды
183
Рис. 18. Фазовые сдвиги для инжекционного тока /0 (/) и тока внешней цепи
1е (0 по отношению к переменному напряжению на диоде. Результаты расчета
на ЭВМ для тока насыщения 10"10 А и 10"3 А 141 ].
лавины, приводя к уменьшению соответствующего запаздывания фазы. Для
/s=10"10 А | cos ф[ близок к 1 (рис. 18, а), но для /8 = =*10_3 A jcos ф|
равен лишь 0,43 (рис. 18, б), а к. п. д. меньше примерно в два раза.
Инжекция неосновных носителей из "плохих" омических контактов также
приводит к увеличению обратного тока насыщения и уменьшению к. п. д.
Эффект неполного "перекрытия" эпитаксиального слоя подложки обедненной
областью [42, 43] иллюстрируется рис. 19. Наличие области несмыкания
приводит к дополнительному последовательному сопротивлению и снижает
отрицательное сопротивление диода. Отметим, что этот эффект в арсениде
галлия вы-
Рис. 19. Распределение электрического поля при пробое в германиевом ЛПД
(а) и к. п. д. в зависимости от ширины области несмыкания в
эпитаксиальном слое для "-GaAs и Ge-диодов (б) (42, 43 J
Расстояние от поверхности, мм а
в 12 3 4$
Ширит области несмыкания, та
184
Глава 10
I
Плотность тока, Л/см2 f
Рис. 20. Скин-эффект [44].
а - протекание тока ограничено тонки,и поверхностным слоем толщиной б,
что приводит к неоднородноеги и резистивным потерям; б - рассчитанные
зависимости падения напряжения иа подложке при 100 ГГц для диодов с
различными диаметрами.
ражен слабее, поскольку при малых электрических полях в GaAs подвижность
носителей существенно выше.
Рассмотрим теперь влияние скин-эффекта [441 (рис. 20). Если рабочая
частота ЛПД лежит в диапазоне миллиметровых длин волн, область протекания
тока ограничена скин-слоем глубиной б на поверхности подложки. Поэтому
эффективное сопротивление подложки возрастает и возникает падение
напряжения в плоскости, перпендикулярной направлению тока (рис. 20, б).
