200

такого явления не происходит вследствие обеднения области металлургической границы подвижными носителями.

Обычно вводят коэффициент ионизации α(Е) и β(Ε). Это количество электронно-дырочных пар, образуемых соответственно электронами или дырками на единице длины. Коэффициенты α и β быстро растут с увеличением напряженности поля Е. Наилучшей аппроксимацией для них оказывается функция вида

		E	m
				,	(12.2)
	α = α0
		EK

где, например, для арсенида галлия m ≈ 6, EK ≈ 6 105 В/см – поле, при котором начинается лавинная ионизация атомов арсенида галлия.

ЛПД был создан в СССР в 1959 году А. С. Тагером. Впервые генерация наблюдалась на германиевых обратносмещенных диодах, имеющих резкий излом ВАХ. Позднее были созданы кремниевые, арсенид-галлиевые и фосфидиндиевые ЛПД. Лавинно-пролетные диоды по частоте перекрыли весь диапазон СВЧ (от 0,5 до 500 ГГц). Существенное повышение КПД ЛПД до 20-30% в сантиметровом и 60-70% в дециметровом диапазонах привело к тому, что они смогли заменить лампы обратной волны (ЛОВ) и клистроны малой и средней мощности. В настоящее время на основе ЛПД создан ряд устройств СВЧ – генераторы и усилители, источники шума и др.

			12.4 Основные режимы работы ЛПД
	Рассмотрим сначала два основных типа конструкций ЛПД. На рис.12.2
показаны однопролетная структура (то есть, с одной активной областью) и так
называемая двухпролетная (c двумя активными областями) структуры. В пер-
							вом приборе, для которого ха-
p+	n	n+	p+	p	n	n+	рактерно наличие р+-n перехо-
							да, только n-область определя-
							ет работу ЛПД, тогда как в
							структуре второго типа, имею-
							щей p-n-переход, в работе
		а			б		ЛПД участвует как p-, так и n-
Рис.12.2. Схематическое представление структур							области. Можно ожидать, что
		ЛПД с переходами: а – р+-n; б – p-n					однопролетный	прибор	ока-
							жется лучше на более высоких
частотах, поскольку подвижность электронов, которые являются основными
носителями тока в области дрейфа, больше подвижности дырок.
	Конструкция корпуса ЛПД (рис.12.3) подобна обычным корпусам СВЧ
диодов. Обычно полупроводниковая структура герметизирована, если прибор
предназначен для работы на частотах до 110 ГГц, и не герметизирована (для

201

уменьшения числа паразитных элементов) в приборах на более высоких частотах.

а

б

Рис.12.3. Конструкция ЛПД: а – германиевого; б – кремниевого; 1– металлическая

основа; 2 – керамическая втулка; 3 – кристалл; 4 – соединительный электрод; 5 – ниппель

ЛПД любой из этих конструкций могут работать в нескольких основных режимах работы, зависящих как от добротности резонатора, так и от многих других факторов. Исторически первым из таких режимов, открытым в 1959 г. в Советском Союзе на германиевых диодах, был так называемый режим IMPATT

(от англ. IMPact ionization Avalanche – ударная ионизация и Transit-Time – про-

летное время). Он отражает основные физические явления, протекающие в ЛПД при не слишком высоких амплитудах полей СВЧ (резонаторы средней добротности). Обычно максимальный КПД прибора, примерно равный 25%, достигается на пролетной частоте (ωτ~π). Электронно-дырочные пары генерируются в этом режиме в слое лавинного умножения. Генерируемые дырки уходят в р-область, а электроны участвуют в энергообмене с полем. В IMPATTрежиме ток инжекции в пространстве дрейфа достигает максимума к моменту, когда приложенное к диоду напряжение проходит через ноль. Дальнейшее отставание по фазе тока носителей обусловливается конечным временем их движения в пространстве дрейфа, так что в целом наведенный ток в цепи диода оказывается противофазным к приложенному напряжению.

Второй тип колебательного режима ЛПД есть режим ТRАРАТТ (от англ.

ТRAрреd Plasma – захваченная плазма и Avalanche Triggered Transit – пробег области лавинного размножения); открыт в США в 1967 г. и назван аномальным, поскольку рабочая частота в этом режиме намного ниже пролетной. Принцип действия при этом режиме связан с тем, что скорость перераспределения электрического поля в структуре диода может значительно превышать скорость дрейфа носителей заряда. После подачи на диод обратного напряжения, превышающего пробивное напряжение, в первый момент напряженность электрического поля максимальна около металлургической границы. Именно здесь из-за ударной ионизации начинается образование электронно-дырочной плазмы. Это приводят к перераспределению электрического поля в n-области. В следующий момент времени ударная ионизация будет происходить в соседнем слое n-области. Скорость дрейфа носителей заряда ограничена даже в сильных электрических волях скоростью насыщения. Скорость дрейфа электронов плаз-

202

мы может оказаться значительно меньше скорости насыщения, если напряженность электрического поля в слое с плазмой успеет уменьшиться. В результате фронт волны ионизации быстро пересекает всю n-область, которая заполняется высокопроводящей электронно-дырочной плазмой. Напряженность электрического поля в это время и напряжение на диоде становятся малыми, что приводит к относительно медленному рассасыванию носителей плазмы из р-n перехода. Задержка экстракции носителей из р-n перехода обусловила название

«режим с захваченной плазмой».

Так как скорость направленного движения носителей заряда в лавиннопролетных диодах в режиме с захваченной плазмой значительно ниже скорости насыщения, то частота генерируемых колебаний обычно не превышает 10 ГГц, в то время как в лавинно -пролетном режиме эта частота может составлять несколько сотен гигагерц. Другие отличия в свойствах и параметрах при различных режимах работы вызваны тем, что при лавинно-пролетном режиме уменьшение скорости дрейфа ниже скорости насыщения нежелательно, а при режиме с захваченной плазмой – наоборот. Поэтому большая амплитуда колебаний может быть получена именно в режиме с захваченной плазмой – до нескольких сотен киловатт при импульсной работе (при непрерывной работе – до нескольких ватт).

TRAPATT режим отличается относительно высоким значением КПД (до 40 %) и возникает в условиях значительных напряжений СВЧ на диоде (высокодобротные резонансные системы, в которые помещается р-n переход). Возникает ТRАРАТТ-режим в условиях большого смещения на диоде с резко неоднородным распределением электрического поля. Используются ТRАРАТТ- диоды, изготовляемые в основном из кремния, преимущественно в генераторах и усилителях мощности сантиметрового диапазона волн.

Кроме указанных диодов, существует еще одна разновидность ЛПД, работающих в инжекционно-пролетном режиме и получивших название BARITT- диодов (от англ. BARrier Injection Transit Time diode – инжекционно-пролетный диод). Такие диоды изготовляются из кремния и имеют два р-n перехода, разделенных равномерно легированной пролетной областью. Один из переходов инжектирует носители зарядов в пролетную область, а другой собирает их. Разность фаз между напряжением на диоде и током, проходящим через него, приводит к появлению небольшого отрицательного сопротивления, которое используется для усиления или генерация СВЧ-колебаний. BARITT-диоды имеют сравнительно малую выходную мощность и низкий КПД, но в отличие от др у- гих ЛПД характеризуются малыми шумами, повышенной линейностью фазовой характеристики и высокой надежностью. Поэтому они используются в маломощных и малошумящих усилителях во входных цепях СВЧ приемных устройств.

12.5.Технический уровень промышленно выпускаемых ЛПД

Внастоящее время за рубежом разработано и выпускается около 300 типов ЛПД для различных участков частотного диапазона. Ведутся работы,

203

направленные на создание новых ЛПД с более высокими выходной мощностью, КПД и предельными рабочими частотами. Значительные результаты в создании ЛПД получены фирмами Hewlett-Packard, NTT, Hitachi, НИИ «Орион» (г. Киев), ЭЛВА-1 (Санкт-Петербург, Росийская Федерация) и др. Технический уровень существующих промышленных и экспериментальных ЛПД характеризуется следующими данными.

Частота и мощность. Среди полупроводниковых СВЧ-приборов только ЛПД и диоды Ганна обладают наибольшими потенциальными возможностями работы в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах. Самыми высокочастотными ЛПД являются IMPATT-диоды, разработанные японскими фирмами NTT и Hitachi. Разработаны кремниевые однопролетные IMPATT- диоды со структурой p+-p-n+ -типа, которые в волноводном резонаторе сечением 1,08×0,54 мм2 имели максимальную рабочую частоту 394 ГГц. Их выходная максимальная мощность равна 78 мВт на частоте 185 ГГц при КПД = 2,3 %, на частоте 285 ГГц – 7,5 мВт при КПД = 0,35 % и на частоте 361 ГГц – 0,2 мВт

[15].

Максимальные значения выходной мощности ЛПД при работе в непрерывном режиме составляет примерно 40 Вт на частоте 10 ГГц, до 1,5 Вт на частоте 60 ГГц, до 100 мВт на частоте 200 ГГц и до 10 мВт на частоте 300 ГГц. Ограничения в повышении выходной мощности ЛПД связаны в основном с обеспечением эффективного теплоотвода от их активной области.

Современные ЛПД работают при очень высоких плотностях мощности, приближающихся к 106 Вт/см2. При таких крайне высоких значениях плотности мощности особенно важными становятся вопросы правильного конструирования этих приборов. Сейчас известны различные приемы повышения эффективности отвода тепла от диодов. Среди них можно отметить, например, применение обращенной мезаструктуры, контактов с барьером Шоттки, ультразвуковой пайки и алмазных теплоотводов. Специалисты считают, что при совершенствовании профилей легирования, улучшении геометрии диода и его теплоотвода можно ожидать увеличения выходной мощности ЛПД в непрерывном режиме до 3 Вт на частоте 50 ГГц и 300 мВт на частоте 200 ГГц. ЛПД имеет также значительные преимущества перед другими полупроводниковыми СВЧ-приборами (за исключением диодов Ганна) по максимально достижимой выходной мощности в импульсном режиме. Максимальная выходная мощность импульсных ЛПД достигает 100 Вт на частоте 10 ГГц и 10 Вт на частоте 40 ГГц. На частотах выше 100 ГГц импульсная мощность этих приборов составляет сотни милливатт.

Коэффициент полезного действия. За последнее время разработчиками ЛПД для повышения КПД и выходной мощности этих приборов было предложено много различных конструктивно-технологических решений, например, таких как использование двухпролетных структур с новыми геометрическими формами, применение параллельного или последовательного соединения нескольких диодов в одном корпусе, использование новых материалов и конструкций теплоотводов и др.

204

Максимальные значения КПД при работе ЛПД в импульсном режиме сейчас составляют около 25 % на частоте 10 ГГц, 12% на частоте 50 ГГц и 8,5% на частоте 100 ГГц. Вместе с тем, имеются отдельные экспериментальные образцы диодов, КПД которых значительно превышает указанные выше максимальные значения, характерные для большинства приборов этого типа. Так, например, фирмой Hughes разработан кремниевый TRAPATT-диод для диапазона 8-10 ГГц, имеющий в импульсном режиме КПД 42,5 % и мощность 27 Вт. Это указывает на возможность дальнейшего повышения КПД.

Коэффициент усиления. Первоначально ЛПД использовались только для генерации СВЧ-колебаний, а их усилительные свойства оставались без внимания. В последнее время эти приборы стали применяться в усилителях мощности и в выходных каскадах малошумящих усилителей на частотах выше 5 ГГц. ЛПД, как и диоды Ганна, обеспечивает сравнительно небольшое усиление, которое с учетом необходимого запаса по устойчивости работы составляет всего 5-9 дБ. При необходимости получения более высокого коэффициента усиления применяется каскадное включение нескольких ЛПД.

Полоса пропускания. Усилительные ЛПД обеспечивают усиление в небольшой полосе частот, обычно не превышающей 10%. Например, по данным фирмы Hughes рабочая полоса ЛПД мм-диапазона мощностью 500 мВт составляет 8,5 % при коэффициенте усиления 5 дБ и 4 % при усилении 10 дБ.

Коэффициент шума. Кремниевые BARITT-диоды имеют наименьший коэффициент шума 10 дБ на частоте 10 ГГц. В этом же диапазоне частот IMРАТТ-диоды на основе кремния имеют коэффициент шума 30 дБ, а на основе арсенида галлия – 20 дБ. В миллиметровом диапазоне у кремниевых ЛПД типичные значения коэффициента шума 35 дБ, а у арсенид-галлиевых – 32 дБ.

Долговечность. Механизм отказов полупроводниковых диодов непосредственно связан с температурой перехода и определяется главным образом процессами электромиграции и короткими замыканиями. Долговечность ЛПД почти не зависит от рабочей частоты, так как температура перехода с ростом частоты повышается незначительно. Судя по различным литературным источникам, средний срок службы ЛПД составляет от 5 тыс. часов до 3,3 млн. часов.

Масса диодов находится в пределах от нескольких десятых долей до единиц граммов.

Контрольные вопросы

1.Каково условие лавинного пробоя и каково его физическое содержание?

2.Какую область называют областью лавинного умножения, областью дрейфа?

3.Какую область называют областью дрейфа?

4.Какие существуют режимы роботы ЛПД?

5.Какими основными параметрами характеризуется ЛПД?

6.Каковы преимущества и недостатки ЛПД?