Физика полупроводниковых приборов Книга 2 - Зи С.
Скачать (прямая ссылка):
Это в свою очередь приводит к неоднородному распределению плотности тока
в данной плоскости и дополнительному последовательному сопротивлению, что
также снижает к. п. д.
Лавинно-пролетные диоды
185
При достаточно высоких рабочих частотах ширина обедненной области очень
мала, а необходимое для начала ударной ионизации электрическое поле
велико. При сильных полях имеют место два основных эффекта. Во-первых,
коэффициент ионизации медленно изменяется, что приводит к уширению
импульса инжекционного тока [451, изменению формы тока на выходе и
уменьшению к. п. д. Во-вторых, туннельный ток может стать доминирующим.
Поскольку этот ток находится в фазе с приложенным полем, запаздывание в
180°, характерное для лавинного умножения, в этом случае не может быть
достигнуто. Туннельные механизмы изучались в связи с туннельно-пролетным
режимом работы [4, 46, 47]. Предполагается, что шум туннельно-пролетного
диода будет меньше, чем шум ЛПД, однако его выходная мощность и к. п. д.
также будут значительно меньше.
Другим ограничивающим фактором при работе в субмилли-метровом диапазоне
длин волн является конечное запаздывание отклика коэффициента ионизации
на изменение электрического поля. Для кремния "время лавинного отклика" <
10 13 с. Предполагается, что кремниевые ЛПД будут эффективно работать на
частотах 300 ГГц и выше, так как т* малб по сравнению с временем пролета
в диапазоне субмиллиметровых волн. Однако в арсениде галлия т* на порядок
больше, чем в кремнии [48]. Такие большие значения т* могут ограничить
рабочий диапазон GaAs-ЛПД частотами, меньшими 100 ГГц.
Эффекты накопления неосновных носителей в р*-п- или п+-р-диодах,
возникающие из-за диффузии генерируемых в активном слое электронов или
дырок в нейтральную р+- или п+ -область, также приводят к снижению к. п.
д. В то время как основные носители пролетают область дрейфа, неосновные
носители накапливаются в нейтральной области, а в следующую фазу цикла
диффундируют обратно в активную область, вызывая преждевременную лавину,
которая искажает соотношение фаз между током и напряжением.
10.4.5. Необратимый термический пробой диода вследствие образования
шнура тока
Причиной перегорания диода может быть не только перегрев, но и
неоднородное распределение тока по площади при образовании шнуров с
высокой плотностью тока. Такая ситуация возможна в диоде в режиме с
отрицательным сопротивлением по постоянному току, когда локальные области
максимальной плотности тока характеризуются минимальным напряжением
пробоя. Это причина выхода из строя р-i-"-диодов. Объемный заряд
движущихся в области дрейфа носителей препятствует возникновению режима с
низкочастотным отрицательным сопротивлением
186
Глава 10
dOOv
X 700 %
Х 600 1 500
I
| 400 !
300
200
100
Тепловое сопротивление теплоотвода, С/0г
0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 Максимальная напряженность поля, МВ/см
Рис. 21. Зависимость плотности тока от максимальной напряженности
электрического поля в кремниевых барьерах Шоттки с No - 6,2-iO1^ см~?;
(pgp = = 0,79 В при температуре 22 °С [49].
и, следовательно, перегоранию из-за образования шнура тока. Однако диоды,
обладающие положительным статическим сопротивлением при малых токах,
могут иметь отрицательное динамическое сопротивление и перегорать при
больших токах.
На рис. 21 приведена зависимость плотности тока от максимальной
напряженности электрического поля в GaAs-диоде с барьером Шоттки [49] при
концентрации примеси 6,2-1015 см'3 и высоте барьера 0,79 В. Если в режиме
непрерывной генерации увеличивается ток прибора, то возрастает и
температура в переходе. В конце концов после достижения поворотной точки
зависимости тока от поля, за которой начинается область отрицательного
дифференциального сопротивления, диод выходит из строя из-за образования
шнура тока с высокой плотностью. Отметим, что диод может работать при
больших плотностях тока, предшествующих точке поворота, если использовать
теплоотвод с малым тепловым сопротивлением.
10.5. шумы лпд
Основной причиной шумов ЛПД является статистическая природа генерации
электронно-дырочных пар в области лавинного умножения. Поскольку шумы
определяют минимальный уровень СВЧ-сигнала, который может быть усилен,
теория шумов в ЛПД очень важна.
Лавинно-пролетные диоды
J87
Циркулятор Вход выход
Трамарорматор
pd
i-i
Ht
*d
Рис. 22. ЛПД, помещенный в резонатор (а), и эквивалентная схема (б\ [50].
Для усиления сигнала лавинно-пролетный диод можно поместить в резонатор,
связанный е передающей линией [50], которая в свою очередь связана с
входным и выходным трактами с помощью циркулятора (рис. 22, а). На рис.
22, б приведена эквивалентная схема, используемая при малосигнальном
анализе. Ниже мы введем две характеристики: коэффициент шума и шумовое
отношение. Коэффициент шума определим следующим образом:
р __ j ^ Выходная мощность шума, возникающего в усилителе ___
Коэффициент усиления мощности X (k'T0Bi)
rr'L
