Физика полупроводниковых приборов Книга 2 - Зи С.
Скачать (прямая ссылка):
Пороговая частота, ГГц,
198
Глава 10
Рис. 32. Зависимость ширины обедненной области от частоты в Si- и GaAs-
ЛПД [68, 69] (SD - одна область дрейфа).
руются СВЧ-сигналы; 4) осциллограф для наблюдения выходного сигнала [65].
Типичный спектр колебаний (генерируемых кремниевым р-v-я-диодом),
полученный с экрана осциллографа, показан на рис. 29 [66]. Рабочая
частота равна 11,8 ГГц, а ширина полосы меньше 1 кГц. Для диапазона
миллиметровых длин волн следует использовать другую измерительную схему и
другой способ крепления диода; типичный СВЧ-резонатор с диодом показан на
рис. 30 [671.
На рис. 31 приведена зависимость пороговой плотности тока, т. е.
минимальной плотности тока, при которой начинается генерация, от частоты
[67]. Отметим, что пороговая плотность тока изменяется приблизительно как
квадрат частоты в соответствии с общими выводами, сделанными нами выше.
Зависимость оптимальной ширины обедненной области от частоты для ЛПД из
кремния и арсенида галлия [68, 69] приведена на рис. 32. Ширина
обедненной области изменяется, как и ожидалось, обратно пропорционально
частоте. Интересно, что при частотах выше 100 ГГц ширина обедненной
области менее 0,5 мкм. Такая малая ширина слоя может дать представление о
трудностях, с которыми приходится сталкиваться при изготовлении
модифицированных
Лавинно-пролетные диоды
199
диодов Рида и диодов с двумя дрейфовыми областями, работающих в этом
диапазоне частот.
В настоящее время наибольшая величина произведения мощности на квадрат
частоты получена для диодов с двумя дрейфовыми областями. На рис. 33
приведены характеристики [70] диодов с одной и двумя дрейфовыми
областями, работающих на частоте 50 ГГц. Созданный методами ионной
имплантации кремниевый ЛПД с двумя дрейфовыми областями в непрерывном
режиме генерирует мощность выше 1 Вт на частоте 50 ГГц при максимальном
к. п. д. 14 % . Эти данные можно сравнить с характеристиками аналогичного
диода с одной дрейфовой областью, который генерирует мощность 0,5 Вт при
к. п. д. 10 %. Преимущества диодов с двумя дрейфовыми областями
обусловлены тем, что в этих диодах электроны и дырки, генерируемые в
лавине, пролетая соответствующие дрейфовые области, совершают работу
против сил высокочастотного электрического поля. В диодах с одной
дрейфовой областью используется лишь один тип носителей.
Рис. 33. Выходная мощность
(а) и к. п. д. (б) для Si-ЛПД с одной (SD) и двумя (DD) областями
дрейфа при 50 ГГц. Значения к. п. д. приведены для четырех диодов каждого
типа [70].
к.
I
г
?
1
1,0
0,5
О
- S0 ГГц, ^*-1 Вт
10го sum. /
- ~р*р\[пп+ 10 f7 -0,53 Вт
0 0,7мкм
y^susujio17- pAfan+
f I i 1 0, 7мкм
7 100 ZOO 300 400
Температура перехода, °С а
200
Глава 10
10
10 1
Ю'1
§
1
10
-2
10
-з
_4Ml/f) N 6,8 X V 23 \ + 12*?5 32 2^А + 27а ( ЛПД +18 Х2'3 хю , • si
\Непрер. a GaAs ](ЗЛ) о si лнепрер. д GaAs 1(Д17 )
31 12 37 А 36 16Д •ХХ6>9 А25ч и24 ч V 10 ,А\ 16д 'Ъ |4\
"? Ч*' III I а|9 % \ A5 I3N 90 ° 5 11 А7,4° -.3 X 4 X к Ч \ X',5
• Ч 2,8 4
с ~ ИПД О ^ 3,2 а к S S о1^ 2,5 \ 4(l/f2) ч ч ч ч \
1 1 L, J 1 ill *0,4 \ • 0,13 \ • 0,05 1 L 1 1..
1000
1 10 100 f, ГГц,
Рис 34. Характеристики современных ЛПД и ИПД. Рядом е экспериментальными
точками указаны значения к. п. д. в процентах [10, 85, 97].
SD -> одна область дрейфа; DD - две области дрейфа.
Характеристики современных ЛПД [10, 71, 72] приведены на рис. 34 вместе с
характеристиками инжекционно-пролетных диодов (ИПД), которые изучены в
разд. 10.7. При низких частотах выходная мощность ограничена тепловыми
эффектами и зависит от частоты как 1//, а при более высоких частотах (>50
ГГц) мощность ограничена характеристиками носителей и пропорциональна 1
if2. На частотах, близких к 10 ГГц, для модифицированных диодов g
трехслойной базой и контактом Pt-GaAs получены к. п. д., близкие к 40 %
[73]. Из рие. 34 видно, что ЛПД являются наиболее мощными твердотельными
источниками СВЧ-
Лавинно-пролетные диоды
201
Рис. 35. Зависимость среднего времени работы GaAs-ЛПД до выхода из строя
от температуры [74],
колебаний. Из всех твердотельных приборов ЛПД могут генерировать
максимальную мощность в непрерывном режиме в миллиметровом диапазоне длин
волн.
ЛПД очень надежны при работе в высокотемпературных условиях, если при их
изготовлении применяется улучшенная технология. На рис. 35 приведена
зависимость среднего времени работы прибора до выхода из строя от
температуры для ЛПД из арсенида галлия [74]. Величина энергии активации,
стоящая в показателе экспоненты этой зависимости, равна 1,9 эВ. Из
экстраполяции этой зависимости следует, что при рабочих температурах в
переходе ~200 °С срок службы такого диода составит ~ 107 ч. Аналогичные
результаты получены для кремниевых ЛПД [75].
Ю.7. ИНЖЕКЦИОННО-ПРОЛЕТНЫЕ ДИОДЫ
И ДВУХСКОРОСТНЫЕ ПРОЛЕТНЫЕ ДИОДЫ
Инжекционно-пролетный диод принадлежит к семейству пролетных СВЧ-диодов
[12]. В основе его работы лежат два механизма: термоэмиссия (инжекция) и
