В устойчивом состоянии пробой происходит в лавинной зоне, протекает постоянный ток и падение напряжения в лавинной зоне равно Ve. Теперь предположим, что напряжение диода меняется со временем, так что падение напряжения Va В лавинной зоне колеблется около Ve, как показано на рис. 10.4,а. При Уа.>Ув лавинный ток растет, а при Va<.Ve ток уменьшается, как показано на рис. 10.4,6. Острые пики лавинного тока являются следствием выраженной нелинейной йрироды механизма токообра-зования. Заметим, что пики лавинного тока наблюдаются в таких точках, где характеристика напряжения сигнала пересекает штриховую прямую, соответствующую Ve, сверху вниз. Таким образом, пики лавинного тока сдвинуты относительно пиков напряжения так, как это характерно для индуктивного элемента. Лавинный ток часто называют индуктивным, хотя эквивалентная индуктивность сильно нелинейна.

Полный ток ЛПД в значительной степени отличается от лавинного тока. Он состоит из двух составляющих, наведенного тока и емкостного тока, причем последний является средним током смещения через обедненный п-слой. Далее, емкостной ток чисто реактивный (т. е. связан интегральной зависимостью с напряжением) и, следовательно, не вносит вклада в поток мощности из прибора. По-другому обстоит дело с наведенным током, который дает основную Фурье-компоненту в противофазе с напряжением, как показано на рис. 10.4, е. Таким образом, на частотах около ла-

Время

10.4.

Рис.

а - колебания падения напряжения в лавинной зоне V„ относительно напряжения нробоя Vj,; б - лавинный ток; в - наведенный ток приблизительно прямоугольной формы с подъемами, ширина которых равна времени пролета т,.

Qyb{t-kTo), (10.3)

где Q - заряд, соответствующий одному импульсу тока. Если будем рассматривать только один из этих импульсов, Q6{t), то увидим, что он связан с импульсом заряда дырок Q, уходящим из лавинной зоны через контакт в крайней левой области п-слоя, и импульсом заряда электронов - Q, уходящим из лавинной зоны направо. Импульс заряда дырок немедленно проходит через р+-1контакт, после чего происходит рекомбинация, вызывающая появление очень малого наведенного тока; импульс заряда электронов не столь быстро достигает п+-контак-та, так как ему приходится перемещаться через обедненный слой, или зону дрейфа (рис. 10.3,6). В этом случае наведенный ток течет во внешнем контуре в течение времени Хг, за которое электроны пересекают зону дрейфа. Величину Тг обычно называют временем пролета. Можно показать, что если электроны дрейфуют с предельной скоростью и рекомбинация в п-слое незначительна, величина наведенного тока равна Qvs/L. Таким образом, форма наведенного тока более или менее прямоугольная, как показано на рис. 10.4, в, с подъемами и впадинами, находящимися в противофазе с подъемами и впадинами напряжения. Именно это явление мы имели в виду, копда говорили, что ЛПД ведет себя, как отрицательное сопротивление.

ВИННОЙ частоты диод ведет себя как отрицательное сопротивление и, вместо того чтобы поглощать мощность, подобно положительному сопротивлению, генерирует ее. Если прибор включен в соответствующий резонансный контур, спонтанные флуктуации напряжения и тока, инициированные тепловой энергией в диоде, нарастают. Когда это происходит, мощность постоянного тока преобразуется в мощность СВЧ и ЛПД работает как высокочастотный генератор. Этот процесс не очень эффективен, однако типичная эффективность достигает 10%, причем генерация сопровождается выделением большого количества тепла, которое нужно отводить от прибора с помощью теплопоглощающей подложки.

Принципиально важный фактор в процессе генерации мощности- это наведенный ток. Важные свойства, характеризующие форму сигнала этой составляющей тока, можно понять из следующего рассуждения.

Сигнал лавинного тока на рис. 10.4,6 состоит из последовательностей импульсов, настолько узких, что их форма не имеет значения. Таким образом, каждый импульс можно просто аппроксимировать дельта-функцией, и в этом случае лавинный ток имеет вид

ЛПД уделяется большое внимание в литературе. В середине 60-х гг. с этим прибором был проделан большой объем работы, и специальный выпуск журнала ШЕЕ Trans. Elect. Dev., ED-13, № 1 (1966) был целиком посвящен приборам с объемными эффектами и пролетным приборам. Из более поздних сообщений о физике ЛПД читателю можно рекомендовать работы Мисавы [41] и Кэрролла [7].

10.3.2. Плазменный ЛПД (ПЛПД)

Генератор на ПЛПД обычно имеет р+-п-п+ (или р+-р- п+)-структуру, аналогичную структуре ЛПД, со смещением в область обратного пробоя. Условие пробоя выполняется, так что в отсутствие лавинного тока п-слой обеднен носителями. ПЛПД отличается от обычного ЛПД тем, что это прибор большого сигнала, он работает в .у другом режиме колебаний, более эффективен (как правило, имеет эффективность около 50%) и генерирует мощность на более низких частотах. Обычно ПЛПД используют в импульсном режиме, тогда как обычные ЛПД - в непрерывном.

При рассмотрении ЛПД считалось, что поля пространственного заряда, связанные с зарядами в лавинной области, пренебрежимо малы. Эти поля в работе ПЛПД играют важную роль. Они определяют режим колебаний ПЛПД, при котором он чрезвычайно резко переключается (обычно за 10~°с) из состояния с высоким импедансом и высоким напряжением в состояние с низким импедансом и низким напряжением.

Роль полей пространственного заряда можно понять из следующего рассмотрения. Предположим, что в момент времени = 0 на р+-п-П+-ПЛПД, структура которого показана на рис. 10.5, G, подано обратное поле смещения, близкое к электрическому полю пробоя, но в то же время максимальное поле в п-слое несколько ниже поля Еа, необходимого для лавинной ионизации. При этих условиях п-слой обеднен подвижными носителями заряда, и уравнение Пуассона дает тангенс угла на-

Рис. 10.5.

а - структура р+ - п - П+-ПЛПД; б - электрическое поле в п-области при t=0. когда максимальное поле ниже критического поля £д, при котором происходит лавина.