Лавинно – прогонні діоди

Лавинно – прогонні діоди (ЛПГ) являють собою конструкцію напівпроводникових діодів, принцип роботи яких засновано на виникненні від’ємного опору в діапазоні надвисоких частот, який утворюється внаслідок лавинного помноження носіїв заряду та їх проходження через структуру напівпроводника. Утворення від’ємного опору пов’язано з запізненням в часі цих двох процесів, що приводить до фазового зсуву між струмом і напругою. Дійсно, лавина носіїв заряду формується не миттєво, а впродовж певного проміжку часу, так само як і дрейф лавини носіїв заряду через напівпрвідник. Від’ємний опір виникає на тій частоті, коли полуперіод коливань дорівнюватиме сумі часу утворення лавини носіїв заряду та їх дрейфу через напівпровідник.

Процеси утворення від’ємного опору в діодних та транзисторних структурах за рахунок прогонного механізму вперше були розглянуті в 1954 році німецьким вченим В. Шотткі. В 1959 році група вчених під керівництвом О.С. Тагера розробила лавинно-прогонні діоди в Російській Федерації.

Основні конструкції лавинно-прогонних діодів, які одержали практичне застосування, мають структуру: р+ -п-і-п+ (діод Ріда), р+ -п-п+ (різкий несиметричний р-п перехід), р+ -р-п-п+ (діод з двома дрейфовими областями), р+ -п-п1-п+ (діод з двошаровою базою), р+ -п-п1-п+ (діод з трьохшаровою базою), р-і-п-діод.

Принцип роботи ЛПГ на прикладі простої структури р+-п-і-п+ можна пояснити слідуючим чином. При подачі на діод постійної зворотної напруги, трохи меншої напруги лавинного пробою Uпроб і малої амплітуди змінного сигналу, носії заряду помножуються в дуже вузькому п-шарі біля границі р+ -п переходу і потім дрейфують через і-область, яка заповнена шаром об’ємного заряду. Цей процес проходить в той момент, коли спільна напруга на діоді буде більшою Uпроб, а напруженість електричного поля в шарі помноження перевищуватиме значення, необхідне для лавинного утворення електронно-діркових пар.

На мал. 1 показано розподіл домішок і напруженості електричного поля в структурі р+ -п-і-п+. Існуюче в п-області електричне поле сприяє швидкому переходу дірок із шару лавинного помноження в р+ -область та дрейфу електронів через область об’ємного заряду в п+ -область. В той момент, коли починається наступний максимум позитивного полуперіоду, утворюється нова лавина з електронів і дірок, причому пакет електронів знову дрейфує в п+ -область, а дірки миттєво перекидаються в р+ -область, після чого цикл повторюється. Таким чином, струм, що проходить через діод, змінюється з частотою прикладеної змінної напруги і відстає від неї на час прогону електронів через область об’ємного заряду.

Мал. 1. Розподіл домішок (а) і напруженості електричного поля (б) в структурі р+ -п-і-п+.

Розглянемо фізичні процеси обмінуенергією між постійним і змінним електричними полями за допомогою носіїв заряду, що має місце в лавинно-прогонному діоді. Коли носії заряду рухаються в напрямку, в якому їх переміщує електричне поле, то поле здійснює роботу над носіями заряду і віддає їм енергію. Якщо носії заряду рухаються в напрямку протилежному тому, в якому їх прагне переміщувати електричне поле, то вони віддають енергію електричному полю. Головний принцип роботи ЛПГ полягає в тому, що в них створюються такі умови, за якими постійне поле переміщує носіїв заряду в напрямку протилежному тому, в якому їх переміщує змінне поле. Отже, енергія постійногоь електричного поля за допомогою носіїв заряду поглинається полем змінного струму.

Нехай в момент часу t = 0 носії заряду, які в невеликій кількості присутні у вузькій лавинній області, починають помножуватись і їх кількість зростає по експоненті. Коли минає чверть періоду, розподіл щільності носіїв заряду буде таким, як подано на мал. 2, а. Якк видно, концентрація носіїв заряду в лавинній області зросла і по мірі ії зростання все більше електоронів надходить в область дрейфу. Протягом цього проміжку часу електрони отримають енергію від змінного поля, що небажано. Ідеальним був би випадок, коли б електронів взагалі не було в області дрейфу, хоча в дійсності вони там є в невеликій кількості.

Мал. 2. Залежність напруженості електричного поля і щільності заряду від координати в різні проміжки часу.

Після додаткової чверті періоду (мал. 2, б) спостерігається подальше зростання струму в лавинній області і в цей момент змінне поле має напрямок проти постійного (електрони повинні віддавати енергію змінному полю), тому існує велике нагромадження носіїв заряду. Ця лавинна носіїв заряду є кінцевим результатом експоненціального зростання, який миттєво закінчується, бо напруженість електричного поля в лавинній області стає нижче критичної. Розподіл щільності заряду і напруженості електричного поля ще через чверть періоду подано на мал. 2, в.

Нарешті, при повному завершенні періоду, електрони залишають область об’ємного заряду раніш ніж змінне поле почне віддавати їм енергію (мал. 2, г). Якщо процес лавиноутворення відбувається із запіздненням, то це позволяє підняти значення диференціального від’ємного опору. При запіздненні, яке дорівнює чверті періоду, електрони відразу потрапляють у затримуюче змінне поле і знаходяться в ньому протягом всього часу прогону, що дорівнює половині періоду. В цих умовах виникає максимальне значення від’ємного опору.

Використання диференціального від’ємного опору лавинно-прогонних діодів сприяє реалізації підсилювачів і генераторів на надвисоких частотах, тому що час прогону електронів і дірок через область об’ємногоь заряду досить малий. Лавинно-прогонний режим роботи приладу отримав назву IMPATT-режиму (скорочення від англ. Impact Avalanche Transit Time). Робота ЛПД в області надвисоких частот потребує малих значень бар’єрних ємностей, що відповідає малим площам перетинів р-п переходів.

Стабільність роботи НВЧ-приладів на основі ЛПД залежить від стабільності значень від’ємного опору. З физичної точки зору це