МОЩНОСТЬ порядка нескольких сотен ватт в диапазоне 0,5- 5 ГГц. Третий тип генератора СВЧ, в отличие от первых двух, не являющийся лавинным диодом, - BARITT (BARrier Injection Transit Time) Физика этих приборов рассматривается в следующем разделе.

Вид зависимости скорости дрейфа от поля, имеющийся у носителей заряда в кремнии и германии, не обязателен для всех полупроводников. Некоторые полупроводники типа AmBv, особенно GaAs, имеют максимум скорости при увеличении поля, как показано на рис. 10.2 [17]. Этот максимум отражает процесс переноса электронов из зоны с высокой подвижностью

ПолехЮ в/м

Рис. 10.2. Схематическое изображение зависимости скорости электронов от величины поля в GaAs.

В зону с низкой подвижностью при увеличении поля. В результате переноса в зависимости скорости от поля появляется область отрицательной дифференциальной подвижности. При достаточно высоких полях по существу все электроны находятся в зоне с низкой подвижностью и скорость насыщается точно таким же образом, как в кремнии или германии.

Полупроводниковые материалы с областью отрицательной дифференциальной подвижности в зависимости скорости дрейфа от поля позволяют получать очень высокую (СВЧ) частоту колебаний тока при достаточно высоких полях смещения. Это явление было обнаружено Дж. Б. Ганном в 1963 г. [20], хотя и было предсказано в более ранней теоретической работе. В своих экспериментах Ганн наблюдал колебания тока на частоте

> В дальнейшем для диодов IMPATT, TRAPATT и BARITT будем использовать более распространенные в отечественной литературе наименования: ЛПД, плазменный ЛПД (ПЛПД) и инжекционно-пролетный диод (ИПД).- Яргмг. перев.

около 1 ГГц в образцах GaAs п-типа с омическими контактами. Явление, ответственное за колебания, появляющиеся, когда приложенное напряжение превышает критическое значение,- это перенос электронов из зоны с высокой подвижностью в зону с низкой подвижностью, о чем упоминалось выше. Диод Ганна является основой генератора на переносе электронов, который рассматривается в разд. 10.6.

10.3. Физика лавинно-пролетных диодов (ЛПД)

Лавинные и инжекционные барьерные приборы представляют собой двухполюсники, изготовляемые из Ge, GaAs и, возможно, наиболее часто из Si. Впервые р+-п-i-п+ (или п+-р-i-р+)-структуру ЛПД предложил Рид [45]. Лишь через несколько лет идеи Рида подтвердились, когда Джонсон с сотр. [28] смогли продемонстрировать работающий прибор. Более современные ЛПД отличаются от предложенного Ридом прибора тем, что они имеют структуру р+-п-п+ (или р+-р- 11+), хотя принципы действия в основном те же самые, какие излагал Рид. Плазменные ЛПД имеют схожую с ЛПД структуру, но работают в другом режиме колебаний. Первыми этот режим продемонстрировали Прейджер с сотр. [44], но теоретическое объяснение полученных ими результатов было опубликовано лишь примерно через два года [3, 9]. Третий тип прибора, рассматриваемый ниже, - инжекционно-пролетный диод (ИПД), основным механизмом которого является скорее пробой посредством инжекции носителей, чем лавинный пробой. По сравнению с ЛПД инжекционно-пролетный диод - малошумящий прибор. Это связано с тем, что лавинный процесс в ЛПД приводит к появлению дробового шума, усиливающегося с коэффициентом усиления устройства, тогда как дробовой шум ИПД имеет тенденцию к определенному ослаблению из-за сглаживающего действия пространственного заряда. С другой стороны, ИПД сам по себе менее эффективен, чем ЛПД.

10.3.1. Лавинно-пролетный диод (ЛПД)

На рис. 10.3, а показана структура р+-п-П+-ЛПД с приложенным обратным смещением. Будем считать, что в отсутствие лавины обратное смещение достаточно высоко для полного обеднения носителями п-слоя, или, другими словами, считаем, что диод работает в режиме пробоя. Таким образом, плотность заряда в п-слое равномерна и равна концентрации доноров No, и, следовательно, электрическое поле Е по всему слою линейно

зависит от расстояния с тангенсом угла наклона

(10.1)

Профиль поля схематически изображен на рис. 10.3,6. Далее, процесс лавинного усиления сильно зависит от напряженности поля. Эту зависимость можно оценить, рассматривая коэффициент ионизации а, который зависит от поля следующим образом:

аосехр[-(£о/)«], (10.2)

где Ео - постоянная, а показатель т лежит в пределах 1-2. Вследствие сильной зависимости скорости ионизации от поля лавинное умножение в ЛПД происходит в локализованной зоне вблизи максимального значения поля. Типичная толщина этой зоны составляет 1 мкм [18]. В остальной части п-слоя, обозначенной как область дрейфа, поле слишком мало для ионизации, хотя еще достаточно велико, чтобы носители в этой области двигались с предельной скоростью дрейфа.

Подробные теории поведения зависимости тока от напряжения в ЛПД сложны и выходят за рамки данного изложения. Однако следующее качественное описание дает приемлемое объяснение физических процессов в приборе. Оно также раскрывает в общих чертах механизм генерации мощности, а это - основа применимости ЛПД в качестве источника СВЧ в таких приложениях, как накачка в параметрическом усилителе и гетеродин в радиолокаторе.

Для упрощения полагаем, что предельные скорости дрейфа дырок и электронов одинаковы и равны Vs, что полями пространственного заряда, обусловленного свободными носителями, можно пренебречь и что ионизация дырок и электронов происходит с одинаковой окоростью. Больше того, считаем, что ширина лавинной зоны La не зависит от напряжения, приложенного к диоду. Тогда время пролета носителя через лавинную зону

Ta = Lo/Us.

Рис. 10.3. Структура р+-п-П+-ЛПД (а) и профиль электрического поля в п-области (б).