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_s не 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 Р 1 Вт на частоте 100 ГГц и 50 мВт на частоте 200 ГГц и 2 мВт на частоте 440 ГГц.

Лит.:1)Тагер А. С., Вальд-Перлов В. М., Лавинно-пролетные диоды и их применение в технике СВЧ, М., 1968; 2) 3 и С., Физика полупроводниковых приборов, пер. с англ., кн. 2, М., i984; 3) Кэррол Дж., СВЧ-генераторы на горячих электронах, пер. с англ., М., 1972.

М. Е. Левинштейн, Г. С. Симин.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.