Лавинно-пролетный диод

Содержание

ВВЕДЕНИЕ

Настоятельная необходимость миниатюризации аппа­ратуры СВЧ, повышение ее экономичности и надежности вызвала быстрый рост рабочих частот полупроводнико­вых приборов. Наряду с большими успехами в техноло­гии транзисторов этому способствовало открытие новых физических явлений в полупроводниках, сделавшее воз­можным разработку приборов, адекватных СВЧ диапа­зону.

Одним из первых явлений такого рода было обнару­женное СВЧ излучение при ударной ионизации в р-п переходах, послужившее основой для создания в 1959 г. новых СВЧ приборов—лавинно пролетных диодов (ЛПД).

На базе ЛПД создаются и быстро совершенствуются разнообразные приборы и устройства, в первую очередь генераторы когерентных и шумовых колебаний сантиметрового и миллиметрового диапазонов. Малые габариты и вес, экономичность, виброустойчивость и т. п. позволяют отнести генераторы на ЛПД к числу наиболее перспектив­ных источников электромагнитных колебаний СВЧ, открывающих широкие возможности развития СВЧ микросхемотехники.

1 ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ЛАВИННО-ПРОЛЕТНЫХ ДИОДОВ

Характерной особенностью развития современной ра­диотехники является быстрое продвижение полупроводниковых приборов в область сверхвысоких частот. Про­гресс в этом направлении был достигнут в результате значительного усовершенствования технологии изготовления высокочастотных транзисторов, разработки тун­нельных диодов и диодов с переменной емкостью (варакторов). Хотя все эти приборы появились совсем недавно, они уже широко применяются в диапазоне СВЧ в ка­честве элементов высокочувствительных приемных устройств и умножительных цепочек. Однако до послед­него времени не удавалось создать эффективного авто­генератора сантиметровых волн, который мог бы слу­жить твердотельным эквивалентом одного из основных электровакуумных приборов СВЧ — отражательного кли­строна.

Этот пробел в значительной мере восполняет новый полупроводниковый СВЧ прибор — лавинно-пролетный диод (ЛПД), являющийся основой целого класса СВЧ устройств; генераторов, усилителей и преобразователей частоты.

В процессе исследования зависимости коэффициента преобразования частоты в диапазоне СВЧ на параме­трических полупроводниковых диодах от величины при­ложенного к диоду постоянного смещения и мощности накачки было установлено, что при больших значениях обратного напряжения, превышающих пробивное, неко­торые из диодов генерировали СВЧ колебания и в от­сутствие сигнала накачки.

Диффузионные диоды с меза-структурой и одним р-п переходом, сформированным путем диффузии мышьяка в германий р-типа, легированный галлием (рис. 1).

Рис. 1. Структура диода.

Рис. 2. Схема включения ЛПД в цепь постоянного тока.

Диод помещали в высокочастотный резонатор и вклю­чали в цепь постоянного тока, как показано на рис. 2. Генерация СВЧ колебаний наблюдалась при отрица­тельных напряжениях, на 0,5—1,5 В, превышающих про­бивное напряжение, когда через диод проходил постоян­ный ток от 0,5 до 10—15 мА. Мощность колебаний в не­прерывном режиме составляла для различных диодов величину от десятков микроватт до нескольких милли­ватт. Спектр колебаний в зависимости от тока, текущего через диод, и настройки резонатора изменялся от близ­кого к шумовому до почти монохроматического. Длина волны колебаний лежала в пределах от 0,8 до 10 см и зависела от размеров резонатора и значений реактив­ных параметров диодов. Перестраивая резонатор (на­пример, перемещением короткозамыкающего плунжера), можно было плавно изменять частоту и мощность ко­лебаний. В недовозбужденном режиме вблизи порога генерации наблюдалось регенеративное усиление СВЧ колебаний с коэффициентом усиления 15—20 дб. Диоды на которых были получены генерация и усиление СВЧ колебаний, как правило, не давали заметной паразитной генерации на более низких частотах, хотя не при­нималось специальных мер для ее подавления.

Рис 3. Обратная ветвь вольтамперной характеристики ЛПД

Уже первые эксперименты показали, что основным признаком генерирующих диодов, является форма об­ратной ветви их вольтамперной характеристики, пока­занной на рис. З сплошной линией. Как видно из ри­сунка, особенностью этой харак­теристики является резкий излом при пробивном напряжении Uпр. При отрицательных напряжениях, меньших (по абсолютной величи­не) Uпр, ток, текущий через диод (ток насыщения), очень мал и со­ставляет для различных диодов от 0,01 до 1 мкA. При U=Unp вольтамперная характеристика претер­певает резкий излом, ток резко возрастает и при дальнейшем уве­личении отрицательного смещения растет почти линейно с на­пряжением. Максимальное значе­ние постоянного тока диода огра­ничивалось опасностью теплового пробоя, выводящего диод из строя.

Наклон вольтамперной характеристики на рабочем участке был всюду положительным и соответствовал положительному дифференциальному сопротивлению Rд слабо зависящему от тока и лежащему для различных диодов в интервале 50—300 Ом.

Вольтамперная характеристика негенерировавших диодов, как правило, отличалась более или менее плав­ным увеличением тока вблизи пробивного напряжения (штриховая кривая рис. З) и большим значением диф­ференциального сопротивления Rд на этом участке. На некоторых диодах при U>Uпр наблюдались скачки тока, соответствующие участкам вольтамперной характеристи­ки с отрицательным наклоном. Эти диоды в ряде слу­чаев давали низкочастотную генерацию (1—10 кГц), но, как правило, не генерировали СВЧ колебания.

Последующие эксперименты показали, что подобные же явления (генерация СВЧ колебаний) могут наблю­даться и на диодах другой структуры: диффузионных на базе n-германия, сплавных германиевых диодах с рез­ким р-п переходом, диффузионных и сплавных кремние­вых диодах и т. д.

Таким образом, была установлена возможность эф­фективной (с КПД > 1%) генерации, а также усиле­ния СВЧ колебаний полупроводниковым диодом, вольтамперная характеристика которого не имеет «падающих» участков или, иначе говоря, не имеет «статического» от­рицательного сопротивления.

Физическая при­рода этого динамического отрицательного сопротивления связана с процессом ударной ионизации в р-п переходе и с взаимодействием образованной при этом лавины свободных носителей тока (электронов и дырок) с вы­сокочастотным полем в слое объемного заряда (запой­ном слое) обратно смещенного р-п перехода. Действи­тельно, известно два основных механизма резкого воз­растания тока в обратно смещенном р-п переходе — ла­винный пробой вследствие ударной ионизации атомов кристалла подвижными электронами и дырками и эф­фект Зинера — туннельный переход носителей заряда из заполненной зоны одного полупроводника в свободную зону другого. Эффект Зинера проявляется лишь в достаточно узких р-п переходах с напряжением пробоя меньше 5 В для германия. В нашем случае это напряжение превышало 20 В, так что возрастание тока можно было целиком отнести за счет ударной иони­зации. Исследования подтвердили это предположение, и диоды, в которых наблюдался эффект генерации СВЧ колебаний, были названы лавинно-пролетными.

1	2	3	4