НАПІВПРОВІДНИКОВА ЕЛЕКТРОНІКА Лекція 1 2 Лавинно-пролітні діоди

Київського національного університету імені Тараса Шевченка

опору в діапазоні надвисоких частот, яке обумовлено процесами лавинного помноження

носіїв і їх прольоту через напівпровідникову структуру.

Поява від’ємного опору обумовлена часовим запізненням цих двох процесів, що приводить до фазового зсуву між струмом і напругою.
«Лавинне запізнення» виникає за рахунок кінцевого часу наростання лавинного струму, а «пролітне запізнення» - за рахунок кінечного часу проходження носіями області дрейфу.
Опір діода від’ємний на деякій частоті, якщо сума цих часів рівна півперіоду коливання.

ЛПД є одним з самих потужних твердотільних джерел НВЧ коливань. ЛПД може генерувати в неперервному режимі найбільшу потужність в діапазоні частот, що відповідають міліметровим довжинам хвиль (тобто більше 30 ГГц).
Труднощі при роботі ЛПД в зовнішньому ланцюгу:
1) високий рівень шуму;
2) необхідність ретельного розрахунку ланцюгів (щоб уникнути розузгодження або навіть перегоряння діоду, оскільки реактивність велика і сильно залежитьвід амплітуди осциляцій).

IMPATT – impact ionization avalanche transit time

ефективного коефіцієнта іонізації (в) при пробої в p+-n-i-n+ - діоді

Рида.

В діоді Ріда область лавинного помноження розміщена на одному кінці відносно високоомного шару, що служить дрейфовим пролітним простором для генерованих носіїв заряду.

p+-n-i-n+

n+-p-i-p+

Ефективний коефіцієнт ударної іонізації:

де n і p - коефіцієнти ударної іонізації електронів і дірок відповідно і W – ширина збідненої області.

Умова лавинного пробою:

область лавинного помноження сильно локалізована, тобто практично весь процес помноження

носіїв відбувається в вузькому шарі високого поля від 0 да xA , де xA- ширина області помноження.
Падіння напруги на області помноження- VA.
Оптимальна густина струму і максимальний ККД лавинно пролітних діодів сильно залежать як від xA, так і від VA.
Шар поза областю помноження (xA≤x≤W) називається областю дрейфа.

Існують два граничні випадки розподілу домішки в діоді Ріда.
Якщо відсутня область з концентрацією домішки N2, то маємо різьких p+-n перехід.
Якщо відсітня область з концентрацією N1, то діод Ріда вироджується в p-i-n діод (діод Місави).

У випадку кремнієвого діода з симетричним різьким p-n переходом область помноження розміщена поблизу центра збідненої області. Невелика асиметрія коефіцієнту ударної іонізації по вдношенню до точки, в якій напруженість електричного поля максимальна, повязана з тим, що в кремнії n і p сильно різняться. Якщо n  p , як це має місце в GaP, ефективний коефіцієнт іонізації

i область лавинного помноження симетрична по відношенню до точки x=0.

переходом.
Розподіл домішок, напруженості електричного поля і ефективного коефіцієнта іонізації в

діоді з асиметричним різьким p+-n - переходом (діод з однією дрейфовою областю) (а) і в p+-p-n-n+ - діоді з симетричним різьким p-n - переходом (діод з двома дрейфовими областями) (б).

електричного поля і ефективного коефіцієнта іонізації в в модифікованих діодах

Ріда: з двохшаровою базою (а) і з трьохшаровою базою (б).

для асиметричних і симетричних різьких переходів з Si і GaAs.
Асиметричні

різкі p-n переходи:

Симетричні різкі p-n переходи:

Напруга пробою і ширина збідненої області в діоді Ріда і діоді з двошаровою базою:

Напруга пробою і ширина збідненої області в діоді з трьохшаровою базою:

дифузії або подвійної епітаксії; б – бар’єр Шотткі; д –

діод з двохшаровою базою; г – діод з двома областями дрейфу створений за допомогою іонної імплантації.

Два НВЧ корпуси з поміщеними в них ЛПД.

робочою частотою.
З малосигнальної теорії можна отримати наближені співвідношення між різними

параметрами діода і робочою частотою.

ширини збідненої області від частоти в Si і GaAs -ЛПД

(SD - одна область дрейфа).

КПД у відсотках.SD – одна область дрейфа; DD – дві

області дрейфа.

напівпровідником n- типу; б- розподіл просторового заряду при малих

зміщеннях діода; в- розподіл поля; г- енергетична діаграма.

де W1 і W2 - ширина збіднених областей прямо- і обернено зміщених бар’єрів відповідно, ND - концентрація іонізованої домішки і Vbi - контактна різниця потенціалів.

(а) і в умовах плоских зон.
Залежність напруги плоских зон від

концентрації домішки в кремнієвих діодах з різною шириною бази. Для заданої ширини бази максимальна величина напруги плоских зон обмежена напругою лавинного пробою.

зон
Величина постійного зміщення ІПД в умовах генерації НВЧ-потужності зазвичай лежить

між VRT і VFB. В цьому випадку (VRT

Положення точки xR, де відбувається змикання збіднених областей, визначається рівнянням

дірок стає домінуючим:
Для VVRT отримуємо:
Протікання струму через p+-n-p+ - діод,

в якому відбувся прокол, визначається тими ж механізмами, що і в МНМ структурі. Єдиною відмінністю є відсутність множника exp(-qBp/kT) у випадку інжекції носіїв через зміщений в прямому напрямку p+-n - перехід.

діаграми при проколі для p+-n-p+ - структури (а) і p+-i-n-

-p+ -структури (б).

проколом.