к библиотеке к оглавлению FAQ по эфирной физике ТОЭЭ ТЭЦ ТПОИ ТИ

РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА

Глоссарий по физике

А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Э Ю Я

Лавинно-пролётный диод

Лавинно-пролётный диод - полупроводниковый диод, обладающий отрицательным дифференциальным сопротивлением в СВЧ-диапазоне вследствие развития т. н. лавинно-пролётной неустойчивости. Последняя обусловлена ударной ионизацией и дрейфом носителей заряда в р-n-переходе в режиме обратного смещения (см. р-п-переход). Идея, лежащая в основе работы Л--п. д., сформулирована в 1958 У. Т. Ридом (W. Т. Read). Генерация на Л--п. д. впервые наблюдалась в СССР в 1959 А. С. Тагером с сотрудниками [1]. Физ. принцип работы Л--п. д. можно пояснить на примере диода Рида (рис. 1). Диод состоит из сильно легированного р⁺ -эмиттера и неоднородно легированной n-базы (рис. 1, а). Узкий слой n-базы вблизи р-п-перехода легирован сильно (n⁺-слой), остальная часть базы легирована слабо (n^--слой). Распределение поля в такой структуре для обратного напряжения (U₀, большего, чем напряжение пробоя U_i, показано на рис. 1 (б). При этом напряжённость поля в области р-n-перехода превышает поле ударной ионизации E_i и вблизи р-n-перехода генерируются электроннодырочные пары (область умножения). Дырки быстро пролетают к электроду сквозь узкий сильно легированный эмиттер, не оказывая существенного влияния на работу прибора. Электроны, покинув область умножения, пролетают затем протяжённую слабо легированную п^--область (область дрейфа).

В области умножения и в области дрейфа электроны движутся с одной и той же, не зависящей от напряжённости поля дрейфовой скоростью - скоростью насыщения [2]. Значение поля E_s, при к-ром дрейфовая скорость электронов насыщается, составляет для электронов в Si и GaAs величину 10⁴ В/см, значительно меньшую значения поля в области умножения Е_i (3-5) 10⁵ В/см. Характерное значение 10⁷ см/с.

Пусть помимо пост. напряжения U₀ к диоду приложено перем. напряжение U частотой (рис. 2, а). С ростом напряжения U происходит резкое увеличение концентрации носителей в области умножения вследствие экспоненциального характера зависимости коэф. ударной ионизации от поля [2]. Однако т. к. скорость роста концентрации электронов пропорц. уже имеющейся в области умножения концентрации п, момент, когда п достигает максимума, запаздывает по отношению к моменту, когда максимума достигает напряжение на диоде (рис. 2, б). В условиях, когда v_sне зависит от поля, ток проводимости в области умножения I_с пропорц. концентрации п: S(e - заряд электрона, S - площадь диода). Поэтому кривая на рис. 2 (б) представляет собой также и зависимость тока I_С в области умножения от времени.

Когда напряжение на диоде спадает и концентрация носителей в области умножения резко уменьшается, ток на электродах прибора I (полный ток) остаётся постоянным (рис. 2, в). Сформировавшийся в области умножения сгусток электронов движется через область дрейфа с пост. скоростью. Пока сгусток электронов не уйдёт в контакт, ток через диод остаётся постоянным (теорема Рамо - Шокли) [3]. Из сравнения рис. 2, а и 2, в видно, что ток, протекающий через Л--п. д., колеблется практически в противофаэе с напряжением, т. е. имеет место отрицат. дифференциальное сопротивление.

Отрицат, дифференциальное сопротивление Л--п. д. является частотно-зависимым. Время пролёта носителей через область дрейфа , где L -длина области дрейфа, практически равная полной длине диода. Сдвиг фаз между током и напряжением п может быть реализован только на частоте (и на гармониках). Более точный расчёт устанавливает соотношение между и L:

Механизм возникновения отрицат. дифференциального сопротивления является малосигнальным: колебания спонтанно нарастают в резонаторе, настроенном на соответствующую частоту , при подаче на диод достаточно большого пост. смещения.

Наиб. мощные и эффективные Л--п. д., предназначенные для работы в сантиметровом диапазоне и длинноволновой части миллиметрового диапазона длин волн, изготавливаются из GaAs, а для работы на более высоких частотах - из Si. Перспективно использование InP и др. соединений типа А^III B^V , а также гетероструктур и сверхрешёток.

Для создания Л--п. д. используются диффузия и ионная имплантация примесей, эпитаксиальное наращивание (см. Эпитаксия ),напыление металла в вакууме.

Л--п. д.- наиб. мощный полупроводниковый прибор для генерации и усиления эл--магн. колебаний на частотах до 400 ГГц. Л.- п. д. из GaAs на частоте 6 ГГц в непрерывном режиме обеспечивают выходную мощность Р=15 Вт при 30%; на частоте 40 ГГц Р 2 Вт при 20%. Кремниевые Л--п. д. позволяют получить Р1 Вт на частоте 100 ГГц и 50 мВт на частоте 200 ГГц и 2 мВт на частоте 440 ГГц.

Литература по лавинно-пролётным диодам

Тагер А. С., Вальд-Перлов В. М., Лавинно-пролетные диоды и их применение в технике СВЧ, М., 1968;
3 и С., Физика полупроводниковых приборов, пер. с англ., кн. 2, М., i984;
Кэррол Дж., СВЧ-генераторы на горячих электронах, пер. с англ., М., 1972.

М. Е. Левинштейн, Г. С. Симин

к библиотеке к оглавлению FAQ по эфирной физике ТОЭЭ ТЭЦ ТПОИ ТИ

Знаете ли Вы, что релятивистское объяснение феномену CMB (космическому микроволновому излучению) придумал человек выдающейся фантазии Иосиф Шкловский (помните книжку миллионного тиража "Вселенная, жизнь, разум"?). Он выдвинул совершенно абсурдную идею, заключавшуюся в том, что это есть "реликтовое" излучение, оставшееся после "Большого Взрыва", то есть от момента "рождения" Вселенной. Хотя из простой логики следует, что Вселенная есть всё, а значит, у нее нет ни начала, ни конца... Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

НОВОСТИ ФОРУМА

Рыцари теории эфира