РАЗДЕЛ 2
ОПТИМИЗАЦИЯ СТРУКТУРЫ ЛПД КОРОТКОВОЛНОВОЙ ЧАСТИ МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА ДЛИН
ВОЛН
2.1. Принцип работы ЛПД миллиметрового диапазона
Лавинно-пролетные диоды (ЛПД) относятся к классу приборов с отрицательным
динамическим сопротивлением [84]. Основными механизмами, приводящими к сдвигу
фаз между током и напряжением в ЛПД, являются инерционность процесса генерации
электронно-дырочных пар и запаздывание, обусловленное временем пролета
носителей тока через область дрейфа.
В настоящее время имеется несколько основных диодных структур, применяемых в
мм диапазоне длин волн. Это диод Рида со структурой p+-n-i-n+ типа,
однопролетный диод p+-n-n+ или n+-p-p+ типа и двухпролетный диод p+-p-n-n+
типа. Двухпролетные структуры напоминают два последовательно включенных ЛПД,
использующих пролет обоих типов носителей, генерируемых в общем слое умножения.
Выходная мощность и импеданс на единицу площади перехода такой структуры
примерно вдвое выше, чем однопролетной. Поэтому использование таких структур
приводит к следующим преимуществам:
* КПД увеличивается примерно в 1,3 раза по сравнению с однопролетными
структурами;
* выходная мощность увеличивается примерно в 1,5 раза;
* структуры обладают более высокими пробивными напряжениями, т.к. пролетное
пространство удваивается;
* так как емкость уменьшается примерно в 2 раза, ЛПД имеет больший диаметр, что
снижает тепловое сопротивление;
* увеличивается отрицательное сопротивление: оба типа носителей заряда дают
вклад в преобразование энергии.
Последние исследования в области ЛПД были сосредоточены на усовершенствовании
технологии изготовления и, используя передовые методы выращивания
эпитаксиальных структур типа молекулярной эпитаксии, разработано большое
количество комплексных двухпролетных профилей легирования (рис.2.1). Такие
профили легирования увеличивают имеющийся импеданс диодов с одинаковыми
площадями и улучшают коэффициент преобразования постоянного напряжения в СВЧ и,
соответственно, выходную СВЧ мощность [6].
а) б)
Рис. 2.1. Схематические профили легирования высокоэффективных ЛПД с двойным
пролетным пространством:
a) двухпролетный Hybrid Read "низко – высоко - низко";
б) двухпролетный Hybrid Read " плоский высокий - низкий ".
Но все еще экономически более целесообразно в коротковолновой части мм
диапазона производить ЛПД с двумя (электронным и дырочным) симметричными
пролетными пространствами.
Схематическое изображение двухпролетной симметричной структуры и распределение
легирующей примеси N(x)=/NA-ND/, представлены на рис. 2.2.
Рабочая область ЛПД состоит из следующих участков:
* источника носителей;
* рабочей области, где генерируется выходная мощность;
* коллекторов для отвода носителей p- и n-типа.
Источником носителей служит область внутри диода, в которой сосредоточена
основная часть лавинной генерации и которая называется областью умножения.
Область лавинного умножения с высоким электрическим полем очень узкая и
расположена вблизи границы р-n – перехода. Эта область занимает не более 10% от
ширины пространственного заряда обратно смещенного p-n-перехода. Процесс
ионизации является достаточно безынерционным и каждый акт образования пары
"электрон-дырка" длится не более 10–13 с. Однако, необходимо некоторое время
для образования достаточного числа носителей заряда в области лавинного
умножения. Для образования лавины необходимо, чтобы каждый носитель рождал
новую пару в области лавинного умножения не менее двух раз.
Рис. 2.2. Схематический профиль легирования двухпролетного симметричного ЛПД.
Рабочую область составляют слой умножения и пролетное пространство между ним и
коллектором. При этом электроны, достигшие края лавинного умножения уходят
направо (рис. 2.2) в область более слабого поля – пролетную область, а дырки
проходят слой лавинного умножения и уходят налево в пролетную р-область.
Многократное прохождение области лавинного умножения электронами и дырками
требует некоторого времени 10-12 – 10-11 с. Время прохождения пакета электронов
(возникших в области лавинного умножения) через пролетную область равно
tn,p = W/JS, (2.1)
где W – ширина пролетной области;
JS – скорость насыщения электронов.
При W Ј 10 – 5 см пролетное время составляет менее10 –12 с, что сравнимо с
периодом колебаний СВЧ поля в области миллиметровых волн.
Тонкий слой лавинного умножения дает модулированный лавинный ток, сдвинутый по
фазе относительно напряжения примерно на половину от нужного сдвига фаз.
Остальная часть фазового сдвига осуществляется за счет пролетного
пространства.
При периодических колебаниях электрического поля относительно среднего значения
оптимальное изменение концентрации носителей вследствие механизма, изложенного
выше, запаздывает по фазе по отношению к изменению переменного напряжения
приблизительно на 90° (лавинное запаздывание).
Для установления режима СВЧ генерации необходимо, чтобы движение носителей
осуществлялось в тормозящей фазе СВЧ поля или в отрицательной полуволне СВЧ
напряжения. Только тогда кинетическая энергия носителей заряда преобразуется в
энергию электромагнитного поля резонатора. Это соответствует фазовому сдвигу
между током и напряжением СВЧ сигнала, равному 180°. Дифференциальное активное
сопротивление диода становится в таком случае отрицательным.
Модель p-n-перехода с симметричным распределением примесей предполагает замену
реального слоя умножения эквивалентной областью объемного заряда, имеющей те же
размеры и состоящей из эквивалентного слоя умножения и пролетных пространств
дырок и электронов. Эквивалентная схема такой области умножения, приведенная на
рис. 2.3, представляет собой