Физика полупроводниковых приборов Книга 2 - Зи С.
Скачать (прямая ссылка):
отрицательного сопротивления. Это не удивительно, поскольку еще Шокли
указал на то, что приборы с объемным ОДС должны
п0 L, 10юсм"2 О 5 10 15 20
0 2 4 6 8 Ю
Нормированное расстояние, х/r6T €s fyn0)
Рис. 10. Зависимости напряженности электрического поля от расстояния х
{<& (0) = 0 при х = 0) [17].
Приборы на эффекте междолинного перехода электронов
241
быть стабильными на постоянном токе [24]. Действительно, в полупроводнике
имеется внутренний пространственный заряд (избыточные электроны,
инжектированные катодом), который возрастает при увеличении напряжения
настолько, что ток также увеличивается, несмотря на уменьшение дрейфовой
скорости электронов из-за отрицательной дифференциальной подвижности.
Однако эти стационарные решения не обязательно являются устойчивыми по
отношению к малым флюктуациям.
11,3, РЕЖИМЫ РАБОТЫ
С тех пор как в 1963 г. Ганн впервые наблюдал СВЧ-колеба-ния в приборах
на эффекте междолинного перехода электронов из арсенида галлия и фосфида
индия, были изучены различные режимы работы этих приборов. Пять основных
факторов определяют тот или иной режим х): 1) величина концентрации
примеси и однородность ее распределения в образце; 2) ширина активной
области; 3) свойства катодного контакта; 4) тип используемой внешней
цепи; 5) величина напряжения смещения на приборе.
Как уже говорилось выше, в нестационарном состоянии в приборах на эффекте
междолинного перехода электронов формируются обогащенные слои, или
домены. Процесс образования домена высокого поля зависит от числа
носителей заряда в полупроводнике и длины прибора, которые должны быть
достаточно большими, чтобы за пролетное время происходило формирование
пространственного заряда требуемой величины. Исходя из этого,
устанавливается критерий для того или иного режима работы прибора. Как
следует из выражения (8), увеличение со временем пространственного заряда
в приборе с ОДС описывается на начальной стадии следующей зависимостью:
(п - по) = (я - no)i=о ехр (//| tr |),
где | т к| = tlqn0 | jx_ j и ji_-отрицательная дифференциальная
подвижность. Если это соотношение остается справедливым на протяжении
времени пролета слоя пространственного заряда через образец, то
максимальный фактор роста будет равен exp (L/v\тд |), где v - средняя
скорость дрейфа слоя. Для существенного увеличения заряда этот фактор
должен превышать 1, и, следовательно, L!v\tr\ > 1 или
n0L>esv/q |fx_|. (23)
х) В отдельных работах возникает ряд вопросов в связи с определением
граничных условий на катоде. Поэтому представляется необходимым
дальнейшее изучение этого вопроса с целью установления справедливости
некоторых утверждений, которые включены в эту главу.
242
Глава //
Для арсенида галлия и фосфида индия п-типа правая часть неравенства
составляет ~1012 см-2. Если произведение n0L < < 1012 см~2, то
распределение поля в таком приборе устойчиво (рис. 10). Поэтому важной
границей, разделяющей режимы работы, является величина произведения
концентрации носителей и длины прибора, равная щЬ - 1012 см-2. Ниже мы
рассмотрим некоторые важные режимы работы, причем начнем с идеального
режима однородного электрического поля.
11.3.1. Идеальный режим однородного электрического поля
В идеализированных условиях, когда в исходном образце отсутствует
пространственный заряд и электрическое поле однородно, вольт-амперная
характеристика прибора может быть получена путем пересчета зависимости
скорости от поля. Простейшей формой импульсов напряжения является
прямоугольная (рис. 11) [253. Введем два безразмерных параметра а = IV/IT
и Р = VJVt- Из предполагаемой формы импульсов следует, что средняя
величина тока /0 равна
/0 = (1 + а) 1т/2. (24)
Мощность, потребляемая прибором от источника питания,
Р" ~VqI() = -?j" р (1 -{- а) Vт7у\ (25)
I
Рис. 11. Идеализированные прямоугольные формы импульсов тока и напряжения
в режиме олпородного электрического поля 125].
Приборы на эффекте междолинного перехода электронов
243
Полная величина СВЧ-мощности, выделяемой на нагрузке, равна
Vm-Vt It-Iv (Р - 1) (1 -а) т/ / {пгл
Frf =----g-------2---~--------2------ 1 Т' ^ '
Поэтому к. п. д. прибора
"___ (1 а) (ft 1) (97)
I- (1 + а) Р '
а для основной частоты
ni=-^-n- (27а)
Из выражения (27) следует, что наибольший к. п. д. получается при
максимально возможных напряжении постоянного смещения (Р °°) и отношении
1/а. Теоретически достижимая величина к. п. д. прибора из арсенида
галлия равна 30 % (1/а = 2,2) и
45 % для прибора из фосфида индия (1/а = 3,5). Эти
значения
не должны зависеть от частоты до тех пор, пока последняя меньше величины,
обратной времени релаксации энергии, и величины, обратной времени
междолинного рассеяния.
В экспериментальных условиях такие высокие значения к. п. д не были
получены, а рабочая частота обычно равнялась пролетной. Это объясняется
следующими причинами: 1) величина постоянного смещения ограничена
напряжением лавинного пробоя;
2) формирование слоя пространственного заряда в обычных условиях
