Лавинно-пролётный диод


Лавинно-пролётный диод

Лави́нно-пролётный дио́д (ЛПД, IMPATT-диод) — диод, основанный на лавинном умножении носителей заряда. Лавинно-пролётные диоды применяются в основном для генерации колебаний в диапазоне СВЧ. Процессы, происходящие в полупроводниковой структуре диода, ведут к тому, что активная составляющая полного комплексного сопротивления на малом переменном сигнале в определенном диапазоне частот отрицательна. На вольт-амперной характеристике лавинно-пролётного диода, в отличие от туннельного диода, отсутствует участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Рабочей для лавинно-пролётного диода является область лавинного пробоя.

Идея, лежащая в основе работы лавинно-пролётного диода, сформулирована в 1958 году[1] У. Т. Ридом (W. Т. Read). Эффект генерации колебаний при лавинном пробое обнаружен в 1959 году А. С. Тагером, А. И. Мельниковым и другими (НПП «Исток», г. Фрязино Московской области)[2][1].

Содержание

Устройство и принцип работы

Структура ЛПД

Для изготовления лавинно-пролетных диодов используют кремний и арсенид галлия. Такие диоды могут иметь различные полупроводниковые структуры: p+-n-n+, p+-n-i-n+, m-n-n+ (m-n — переход металл-полупроводник), n+-n-p-p+ и другие. Распределение концентраций примесей в переходах должно быть как можно ближе к ступенчатому, а сами переходы — максимально плоскими.

Принцип работы лавинно-пролетного диода рассмотрим на примере p+-n-n+ структуры. Центральная слаболегированная n-область называется базой.

При напряжении, близком к пробивному, обеднённый слой p+—n-перехода распространяется на всю базу. При этом напряжённость электрического поля растет от n-n+-перехода к p+-n переходу, вблизи которого можно выделить тонкую область, в котором напряжённость превышает пробивное значение, и происходит лавинное размножение носителей. Образующиеся при этом дырки утягиваются полем в p+-область, а электроны дрейфуют к n+-области. Эта область называется слоем лавинного размножения. За его пределами дополнительных электронов не возникает. Таким образом, слой лавинного размножения является поставщиком электронов.

При подаче на контакты диода переменного напряжения такого, что в течение положительного полупериода напряжение существенно больше, а в течение отрицательного — существенно меньше напряжения пробоя, ток в слое умножения приобретает вид коротких импульсов, максимум которых запаздывает по отношению к максимуму напряжения приблизительно на четверть периода (лавинное запаздывание). Из слоя умножения периодически выходят сгустки электронов, которые движутся через слой дрейфа в течение отрицательного полупериода, когда процесс генерации электронов в слое умножения прекращается. Движущиеся сгустки наводят во внешней цепи ток, почти постоянный в течение времени пролета. Таким образом, ток в диоде имеет вид прямоугольных импульсов. Этот режим работы диода называется пролётным (IMPATT-диоды)[2]. КПД этого режима не превышает 0,3.

Если амплитуда переменного напряжения на диоде достигает значения, примерно равного пробивному напряжению, то в лавинной области образуется столь плотный объёмный заряд электронов, что напряжённость поля со стороны p+-области понижается практически до нуля, а в области базы повышается до уровня, достаточного для развития процесса ударной ионизации. В результате этого процесса слой лавинного умножения смещается и формируется в области базы на фронте сгустка электронов. Таким образом, в области дрейфа образуется движущаяся в направлении n+-области лавина, которая оставляет за собой большое количество электронов и дырок. В области, заполненной этими носителями, напряжённость поля понижается почти до нуля. Это состояние принято называть компенсированной полупроводниковой плазмой, а режим работы лавинно-пролетного диода — режимом с захваченной плазмой (TRAPATT-диоды)[2].

В этом режиме можно выделить три фазы. Первая — образование лавинного ударного фронта, прохождение его через диод, оставляя его заполненным плазмой, захваченной слабым электрическим полем. Ток, текущий через диод в этой фазе, существенно увеличивается из-за дополнительного размножения носителей в базе, а напряжение на диоде за счет образования плазмы снижается почти до нуля. Вторая фаза — период восстановления. База диода в этой фазе наполнена электронно-дырочной плазмой. Дырки из области базы дрейфуют к p+-области, а электроны — к n+-области со скоростью значительно меньшей, чем дрейфовая скорость насыщения. Плазма постепенно рассасывается. Ток в этой фазе остается неизменным. Наступает третья фаза, характеризуемая высоким значением напряжённости поля в диоде и предшествующая новому образованию лавинного ударного фронта. Наибольшую длительность имеет именно третья фаза.

Процессы режима с захваченной плазмой протекают заметно дольше, чем процессы пролётного режима. Поэтому при работе в режиме с захваченной плазмой контур настраивают на меньшую частоту. КПД режима с захваченной плазмой при этом заметно выше КПД пролетного режима и превышает 0,5.

Существует разновидность лавинно-пролётных диодов, работающих в инжекционно-пролётном режиме (BARITT-диоды)[2].

См. также

Примечания

  1. 1 2 Лавинно-пролётный полупроводниковый диод в БСЭ
  2. 1 2 3 4 Кукарин С. В. Электронные СВЧ приборы: Характеристики, применение, тенденции развития. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Радио и связь, 1981. — С. 169—173. — 272 с., ил. — 8000 экз.

Литература

  • Аваев, Н. А., Шишкин. Г. Г. Электронные приборы. — Издательство МАИ, 1996.
  • Лебедев. А. И. Физика полупроводниковых приборов. — М.: Физматлит, 2008.
  • Кукарин С. В. Электронные СВЧ приборы: Характеристики, применение, тенденции развития. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Радио и связь, 1981. — С. 169—173. — 272 с. — 8000 экз.

Ссылки



Wikimedia Foundation. 2010.

Смотреть что такое "Лавинно-пролётный диод" в других словарях:

  • 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… …   Физическая энциклопедия

  • лавинно-пролётный диод — griūtinis lėkio diodas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. impact avalanche and transit time diode; IMPATT diode vok. IMPATT Diode, f; Lawinenlaufzeitdiode, f rus. лавинно пролётный диод, m pranc. diode à avalanche et temps de transit, f; …   Fizikos terminų žodynas

  • ЛАВИННО-ПРОЛЁТНЫЙ ДИОД — (ЛПД) полупроводниковый диод с отрицат. сопротивлением в СВЧ диапазоне, работающий при обратном смещении ПП перехода в режиме лавинного умножения носителей заряда (см. Лавинный пробои) и их пролёта через ПП структуру. Возникновение отрицат.… …   Большой энциклопедический политехнический словарь

  • лавинно-пролётный диод с захваченной плазмой — griūtinis lėkio pagautosios plazmos diodas statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. TRAPATT diode; trapped plasma avalanche transit time diode vok. Lawinenlaufzeitdiode mit eingefangenem Plasma, f; TRAPATT Diode, f rus. лавинно… …   Radioelektronikos terminų žodynas

  • лавинно-пролётный диод с отрицательным сопротивлением — griūtinis lėkio neigiamosios varžos diodas statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. avalanche transit time negative resistance diode vok. Lawinenlaufzeitdiode mit negativem Widerstand, f rus. лавинно пролётный диод с отрицательным… …   Radioelektronikos terminų žodynas

  • Лавинно-пролётный полупроводниковый диод — (ЛПД)         полупроводниковый прибор с отрицательным сопротивлением (См. Отрицательное сопротивление), возникающим из за сдвига фаз между током и напряжением на выводах прибора вследствие инерционных свойств лавинного умножения носителей заряда …   Большая советская энциклопедия

  • Лавинно-пролетный диод — (ЛПД, IMPATT диод) диод, основанный на лавинном умножении носителей заряда. Лавинно пролетные диоды применяются в основном для генерации колебаний в диапазоне СВЧ. Процессы, происходящие в полупроводниковой структуре диода, ведут к тому, что… …   Википедия

  • Диод — У этого термина существуют и другие значения, см. Диод (значения). Четыре диода и диодный мост. Диод (от др. греч …   Википедия

  • лавинно-ключевой диод — griūtinis lėkio pagautosios plazmos diodas statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. TRAPATT diode; trapped plasma avalanche transit time diode vok. Lawinenlaufzeitdiode mit eingefangenem Plasma, f; TRAPATT Diode, f rus. лавинно… …   Radioelektronikos terminų žodynas

  • Диод Шоттки — У этого термина существуют и другие значения, см. Диод (значения). Условное обозначение диода Шоттки НЕ по ГОСТ 2 …   Википедия