Физика полупроводниковых приборов Книга 2 - Зи С.
Скачать (прямая ссылка):
максимальный к. п. д. равен 75 % на частоте 0,6 ГГц [89]. Однако способ
генерации сигнала в таком диоде весьма сложен, и, кроме того, работа в
этом режиме требует точного контроля параметров цепи и самого диода.
Шумовое отношение этого диода существенно больше, чем шумовое отношение
ЛПД, а максимально достижимая рабочая частота, по-видимому, меньше частот
диапазона миллиметровых длин волн.
Для того чтобы понять, как возникает пролетный режим с захваченным
объемным зарядом лавины, рассмотрим п+-р-р* -диод, в котором ток резко
возрастает в момент t = 0 (рис. 47, а). Если при t = 0 максимальная
напряженность поля в диоде меньше критической напряженности f?m, которую
необходимо достичь для того, чтобы начался лавинный пробой, то со
временем будет происходить увеличение напряженности электрического поля
(рис. 47, б). Причина этого в том, что ток связан с полем следующим
соотношением [20, 90]:
Следовательно, напряженность электрического поля равна
25 %.
(94)
(95)
где Na - концентрация примеси в p-области. Поэтому промежуток времени, в
течение которого электрическое поле достигает критического значения <?т
на заданном расстоянии х от контакта
Лавинно-пролетные диоды
217
в обедненной области, можно найти, приравняв <§ (х, t) т. е.
qNAx
Jt.
=
• (96)
Продифференцировав соотношение (96), найдем скорость рае* пространения
границы области лавинного умножения (или скорость лавинной зоны) vz (рис.
47, в):
dx J (97)
di
qNA *
Так, например, для NA = 1015 см"3 и J - 104 А/см2 скорость vz значительно
превышает скорость насыщения и равна 6* 107 см/с. То есть лавинная зона
119] (или ударный фронт лавины) быстро пересекает практически всю базовую
область, которая заполняется высокопроводящей электронно-дырочной
плазмой, причем пространственный заряд плазмы сильно снижает напряжение
на диоде 118, 91].
а
1
I
-J
U tг
-t
Рис. 47. Характеристики пролетного диода с захваченным объемным зарядом
лавины [20, 94]:
а - плотность тока в зависимости от времени; б - идеальное распределение
электрического поля# возрастающего со временем; в - ударный фроит лавины,
распространяющийся в диоде со скоростью v , большей скорости насыщения у
.
218
Глава 10
Рис. 48. Характеристики работы диода в режиме с захваченным объемным
зарядом лавины [92]:
а - результаты расчета на ЭВМ для мгновенного распределения поля и
пространственного заряда; бив - зависимости напряжения и тока от времени
соответственно. Точкой на зависимостях на рис. бив отмечен момент
времени, для которого рас-" пределения приведены на рис. а.
V
I
Рассчитанные на ЭВМ распределения плотности заряда и электрического поля
в диоде [92] в некоторый момент времени приведены на рис. 48, а.
Зависимости напряжения и тока диода от времени приведены на рис. 48, б и
б соответственно. Падение напряжения на диоде в начале периода может
существенно превышать стационарное напряжение пробоя. Оно уменьшается
после того, как лавинная зона пройдет через базу прибора, однако вскоре
опять увеличится, поскольку электрическое поле поляризует объемный заряд
подвижных носителей. Если скорость дрейфа носителей не слишком велика, то
она пропорциональна напряженности электрического поля (т. е. v - pcf), а
время пролета электронов и дырок через область дрейфа определяется
подвижностями и будет значительно больше W/vs.
Таким образом, в этом диоде возможна генерация колебаний значительно
меньших частот, поскольку время рассасывания объемного заряда плазмы,
равное отношению заряда Q к току /, может сильно превышать обычное
пролетное время при больших напряженностях электрического поля. Этот диод
является пролетным прибором в том смысле, что время запаздывания носите-
I Электооны Дырки
Лавинно-пролетные Qйоды
219
Рис. 49% Параметры прибора, используемые при расчете. Коэффициент пере-
крытия F определяется, как показано на рис. 49, а 140].
б
а
лей, возникающее из-за конечной скорости пересечения области дрейфа (т.
е. время между инжекцией на одном контакте и сбором носителей заряда на
другом контакте), используется здесь для получения соответствующего
сдвига по фазе тока относительно приложенного напряжения.
Для работы диода необходима внешняя цепь, которая хорошо пропускает
гармоники основной частоты при больших амплитудах напряжения. Кроме того,
гармоник должно быть много, чтобы обеспечить требуемую задержку тока по
фазе при таких низких частотах. Диод не должен выходить из строя при
максимальном напряжении основной частоты. Необходимо, чтобы диод
выдерживал смещение приблизительно в течение четверти периода до тех пор,
пока пик гармонического напряжения не "запустит" процесс лавинного
умножения. Так как напряжение на зажимах такого диода может быть малым
при больших токах, и наоборот, к. п. д. довольно высок. Для некоторых
кремниевых диодов были предсказаны к. п. д. [93, 94], превышающие 50 %.
Конструкция и характеристики таких диодов более сложные, поскольку
сильная взаимосвязь прибора и внешней цепи предъявляет особые требования
