ЛПД как отрицательное сопротивление

ЛАВИННО-ПРОЛЁТНЫЙ ДИОД

Лавинно-пролётный диод — это полупроводниковый прибор, работающий в режиме лавинного умножения носителей заряда при обратном смещении электронно-дырочного перехода.

Генерация СВЧ-колебаний при лавинном пробое полупроводниковых приборов впервые была обнаружена А.С. Тагером, А.Л. Мельниковым, Г.П. Кобельковым и А.М. Цебиевым в 1959 г. (диплом на открытие № 24 приоритет 27.10.1959 г.). В дальнейшем на основе обнаруженного эффекта были созданы специальные полупроводниковые приборы, получившие название лавинно-пролётных диодов (ЛПД).

До этого времени не удавалось создать эффективного автогенератора сантиметровых волн, который мог бы служить твердотельным эквивалентом одного из основных электровакуумных приборов СВЧ — отражательного клистрона. Этот пробел в значительной мере восполнил полупроводниковый СВЧ прибор — ЛПД, явившийся основой целого класса СВЧ устройств: генераторов, усилителей, преобразователей частоты, генераторов шума.

С момента создания ЛПД достигнуты существенные успехи в увеличении выходной мощности, к.п.д., в расширении частотного диапазона ЛПД, измерении параметров, совершенствовании методов изготовления. ЛПД изготовляют из кремния (Si), германия (Ge) и арсенида галлия (GaAs).

ЛПД работает в диапазоне частот 0,1 … 340 ГГц, обеспечивая мощность 6 … 8 Вт в сантиметровом диапазоне в непрерывном режиме, а мощность многодиодного генератора этого диапазона может составлять несколько десятков или даже сотен ватт. В дециметровом диапазоне мощность импульсного диодного генератора может превышать несколько киловатт. Такой уровень мощности является достаточным для использования этих приборов в радиоэлектронных системах различного назначения.

Успехи в создании промышленных образцов ЛПД открыли широкие возможности для конструирования различных СВЧ приборов и устройств и, в первую очередь, генераторов сантиметрового и миллиметрового диапазона длин волн. Эти генераторы, обладают значительными преимуществами пред электровакуумными приборами аналогичного назначения по габаритным размерам и массе, потребляемой мощности, долговечности и лучшей совместимости с микросхемами, получили широкое распространение в современной радиоэлектронной аппаратуре (РЭА).

Принцип действия ЛПД основан на явлении ударной ионизации и влиянии времени пролета носителей в p–n -переходе. В таком переходе за счет разности концентрации электронов (N_n) и дырок (N_p) на границе раздела образуется внутреннее электрическое поле, величина и форма которого зависит от структуры перехода и распределения примесей.

Схематически механизм работы ЛПД можно представить следующим образом. Рассмотрим обратно смёщенный p–n -перехода

Напряженность электрического поля E максимальна в плоскости x = 0 (плоскость технологического перехода).

По мере увеличения внешнего обратного напряжения p–n -переход расширяется, и напряжённость электрического поля возрастает. Когда поле в плоскости технологического перехода достигает некоторого критического значения E = E _кр, начинается интенсивный процесс ударной ионизации атомов кристалла, приводящий к нарастанию числа носителей, т.е. образованию новых злектронно-дырочных пар. Ток через переход резко возрастает — происходит лавинный пробой. Описанный процесс объясняет поведение обратной ветви вольт-амперной характеристики диода

 

Обратная ветвь вольт-амперной характеристики ЛПД

При напряжении выше пробивного (U > U _проб) обратный ток резко возрастает.

Заметим, что область перехода, в которой происходит лавинное образование носителей заряда, сосредотачивается в узком слое δ вблизи максимума напряженности поля.

Обратная связь

 

Эту область принято называть слоем умножения, а остальную часть перехода, где напряжённость поля недостаточна для развития лавины, — пролётным пространством. В результате лавинообразного размножения носителей заряда в p–n -переходе концентрация носителей в нём будет увеличиваться, что приведёт к резкому уменьшению падения напряжения на структуре, так как сопротивление структуры уменьшится. Поскольку поле станет меньше критического, лавина будет затухать. Это приведёт к росту сопротивления структуры и падение напряжения на ней начнёт расти, что снова приведёт к процессу ударной ионизации и появлению лавины. Таким образом, процесс повторяется. Налицо положительная обратная связь. В результате напряжённость электрического поля в слое меняется по гармоническому закону относительно среднего уровня E = e _кр, как показано на рисунке 5.3. Скорость генерации носителей при ударной ионизации зависит не только от напряжённости электрического поля, но и от числа инициирующих носителей. Число генерируемых носителей и ток проводимости, обусловленный дрейфом этих носителей, ток лавины i _л, стремительно нарастают к концу положительного полупериода.

 

Форма лавинного тока в слое умножения

Время, в течение которого лавинный поток зарядов успевает возникнуть и достичь электродов диода, составляет всего лишь 10^-7секунды. В течение каждой секунды лавина возникает несколько миллиардов раз, в результате чего и происходят колебание с частотой, измеряемой десятками тысяч мегагерц, которым соответствуют волны миллиметровой длины.

Однако такие волны могут появиться только в том случае, если в определённом режиме работы диода его дифференциальное сопротивление приобретает отрицательный знак. Отрицательное, же сопротивление возникает из-за того, что лавинообразный ток достигает максимальной величины в тот момент, когда волна напряжения, успев пройти через свой максимум, уже пошла на спад, т.е. ток диода запаздывает по фазе относительно переменного напряжения на его электродах.

Фазовое условие

 

 

Для реализации генераторного режима лавинно-пролётный диод устанавливают в резонатор и подают на него напряжение смещения U ₀ по величине близкое к пробивному U ≤ U _проб

 

Вольт-амперная характеристика диода (а) и форма СВЧ колебаний (б)

Тогда в моменты максимального значения СВЧ поля (имеющего флуктуационное происхождение) переменное напряжение U _~складывается с напряжением смещения U ₀, и в отрицательные его полупериоды поле в слое умножения достигает пробивного значения

(6.1)

где E ₀ — напряжённость электрического поля, создаваемая напряжением смещения U ₀.

Общая напряжённость в слое умножения становится достаточной для развития лавины. Лавинная природа тока обуславливает его заметную инерционность, так как на развитие процесса лавины требуется определённое время.

Известно, что это время запаздывания τ _з близко к четверти периода, или угол запаздывания

(6.2)

Движение носителей в ЛПД удобно проиллюстрировать с помощью пространственно-временной диаграммы, изображённой на рисунке 5.5, где θ ₀ = ωτ _др — угол пролёта на участках р и n.

 

Пространственно-временная диаграмма

При построении диаграммы учтён угол запаздывания θ _зап = π / 2. Образовавшиеся сгустки носителей (электронов и дырок) перемещаются внутри p–n -перехода через пролётные пространства S ₁ и S ₂. (На диаграмме показано лишь движение электронов через пространство S ₂). Движение дырок можно изобразить аналогично — снизу от оси ωt. Заметим, что изменение координаты z во времени практически линейно, так как скорость дрейфа носителей в условиях U ≈ U _проб близка к насыщению. Таким образом, благодаря задержке в развитии лавины θ _зап и наличию пролётного промежутка обеспечивается сдвиг по фазе на величину θ ₀ = π между импульсами тока и высокочастотным полем. Следовательно, сгустки электронов, сформированные в слое умножения, дрейфуют в пролётном пространстве, т.е. в обеднённой области, к катоду (плюс источника U ₀) и тормозятся во время отрицательного полупериода СВЧ поля E _~, отдавая во внешнюю цепь (контур генератора) свою энергию.

Следовательно, активная составляющая сопротивления диода R может быть отрицательной.

 

Изменение отрицательного сопротивления в ЛПД

Это обстоятельство и обеспечивает возможность, при определенных условиях, возникновению автоколебаний. Сдвиг по фазе на величину π между образующимися импульсами тока и переменным высокочастотным напряжением означает, что диод в динамическом режиме обладает отрицательным сопротивлением (ОС), которое называют отрицательным динамическим сопротивлением (ОДС).

Амплитудное условие

Возбуждение СВЧ колебаний в генераторе происходит, когда отрицательное сопротивление ЛПД превысит суммарные потери в системе, включая потери в диоде, контуре и нагрузке — R _пот. Это имеет место при токах диода, превышающих значение пускового тока.

 

Зависимость выходной мощности генератора от тока ЛПД

Пусковой ток растёт с ростом частоты. Обычно он составляет десятки и сотни миллиампер.

Подведём некоторые итоги.

Как было установлено выше, механизм внутренней обратной связи создаётся в ЛПД объёмным зарядом. Отставание тока от поля эквивалентно введению в обратную связь запаздывания, что существенно влияет на колебательные свойства системы. При некоторых условиях эта связь может оказаться достаточной, чтобы в диоде возникли собственные автоколебания. В этом случае диод работает как автоколебательная система, создавая в активной внешней нагрузке импульсы тока с частотой, определяемой временем запаздывания.

Таким образом, в ЛПД имеет место внутренняя обратная связь, выполняется фазовое условие и в случае выполнения амплитудного условия, т.е. когда рабочий ток I ₀ достигает значения пускового I _пуск, в резонаторе, куда помещён ЛПД, могут возникнуть автоколебания.

КОНСТРУКЦИЯ ДИОДА

Современные конструкции ЛПД имеют сравнительно небольшие габаритные размеры. Конструкция и размеры одного из стандартных корпусов ЛПД приведены на рисунке.

 

Структура продольного сечения ЛПД

Здесь 1 — основание для крепления структуры; 2 — полупроводниковая структура; 3 — внутренний вывод; 4 — верхний и нижний фланцы; 5 — керамический цилиндр. Для высокочастотного ЛПД с целью уменьшения паразитных реактивностей применяются корпуса с меньшими размерами (например, диаметр керамического цилиндра 0,84 мм, а его высота всего 0,3 мм). Масса диодов находится в пределах от нескольких долей до единиц граммов.

ЭКВИВАЛЕНТНАЯ СХЕМА ЛПД

Приведённые выше рассуждения позволяют понять принципы построения эквивалентной схемы ЛПД. Геометрические размеры полупроводниковой структуры настолько малы, что практически во всём СВЧ диапазоне она может быть представлена схемой на сосредоточенных элементах, входное комплексное сопротивление которой

(6.3)

Эквивалентная схема ЛПД определяется электронными процессами в диодном промежутке. При воздействии на диод высокочастотного электромагнитного поля конструктивные элементы корпуса создают дополнительные реактивные сопротивления, поэтому полное сопротивление диода определяют обычно на основании эквивалентной схемы диода в корпусе.В этой схеме параметры р–n -перехода представлены через реактивное сопротивление X _д и активное сопротивление r _д (а–а). Активное сопротивление потерь в полупроводниковой структуре и выводах представлено r_S. Параметры L _п и C _п — эквивалентные индуктивность и емкость корпуса и выводов.

В соответствии с рассмотренной моделью эквивалентная схема полупроводниковой структуры ЛПД представляется последовательным соединением двух участков: слоя умножения и области дрейфа. Слой умножения при малой амплитуде поля может быть представлен эквивалентной схемой — параллельным колебательным контуром, содержащим индуктивность лавины L _л и эквивалентную емкость слоя умножения C _л.

 

 

Эквивалентная схема ЛПД: а — в корпусе; б — представленная последовательным соединением двух участков

Полное сопротивление слоя

(6.4)

где ω _л = 1 / — собственная резонансная частота контура, называемая лавинной частотой.

Эквивалентная схема области дрейфа при малой амплитуде поля. Полное сопротивление области дрейфа сводится к виду

(6.5)

 

где	r др — активное сопротивление области дрейфа;

 

x др — реактивное сопротивление области дрейфа.

Активное сопротивление области дрейфа отрицательно на всех частотах ω = ω _л, кроме частот, на которых R _др = 0, (при θ = 2 πn, n = 1,2, …).

Зависимость R _др от угла пролёта θ _др.

 

 

Зависимость активного сопротивления слоя дрейфа ЛПД от угла пролёта

Максимум отрицательного сопротивления наблюдается вблизи θ _др = π. При дальнейшем увеличении θ _др до 2 π сопротивление R _друменьшается до нуля. Видно, что диапазон частот, в котором может быть обеспечено ОС, велик.

Однако обычно считают, что ЛПД хорошо работает лишь на частотах, соответствующих углу пролёта

(6.6)

Таким образом, контур L _л C _л характеризует процессы в слое умножения, а R _др и X _др — процессы в слое дрейфа. Полное сопротивление ЛПД Z = R + jX.

Примерная зависимость активного R и реактивного X сопротивлений от частоты.

 

Зависимость активной и реактивной составляющих полного сопротивления ЛПД от частоты

На частотах ниже лавинной ω _л активное сопротивление ЛПД положительное, а реактивное имеет индуктивный характер. На частотах выше ω _л активное сопротивление отрицательное, а реактивное становится ёмкостным. Область отрицательных сопротивлений соответствует широкому диапазону частот. Наличие отрицательного сопротивления и позволяет использовать ЛПД для создания генераторов и усилителей СВЧ.

ЛПД КАК ОТРИЦАТЕЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ

Диодный генератор на ЛПД (ГЛПД) состоит из полупроводникового диода и внешней относительно диода колебательной системы. При анализе генератора в динамическом режиме диод удобно рассматривать как двухполюсник с полным комплексным сопротивлением Z _д = r _д + jx _д, активная составляющая которого отрицательна (ОС).

Пусть ток и напряжение на входе двухполюсника меняются по гармоническому закону с частотой ω = 2 πf:

(6.7)

 

где	I 1 и U 1 — амплитудное значение тока и напряжения;

 

ϕ — сдвиг фаз между током и напряжением.

Тогда средняя за период T мощность, выделяемая двухполюсником

(6.8)

и активная составляющая полного сопротивления

(6.9)

будут отрицательными при 0,5 π ≤ ϕ ≤ 1,5 π. Это означает, что двухполюсник с ОС выделяет во внешнюю цепь энергию высокочастотных колебаний за счёт преобразования энергии источника питания. Таким образом, действие ОС эквивалентно включению в электрическую цепь источника колебательной мощности.

Вольт-амперная характеристика двухполюсника с ОС имеет падающий участок, расположенный между двумя участками с положительным наклоном. ЛПД имеет ВАХ S -типа.

 

Динамическая ВАХ ЛПД

Для диодов с ВАХ S -типа напряжение является однозначной функцией тока U = f (i). Поэтому рабочая точка I ₀ может быть установлена однозначно в пределах падающего участка ВАХ, если внутреннее сопротивление источника питания R_i велико (R_i ≥ r _д), что имеет место для диодов S -типа (источник тока). Схема подключения ЛПД к источнику питания.

 

Схема подключения ЛПД к источнику тока

Таким образом, отрицательное сопротивление ЛПД проявляется только в том случае, если его помещают в высокочастотный резонатор, настроенный на определённую частоту, и задают ему режим лавинного пробоя. В таком режиме ЛПД является генератором СВЧ колебаний с частотами до нескольких десятков гигагерц.

В статическом же режиме сопротивление ЛПД во всём диапазоне токов и напряжений положительно. Поэтому на статической вольт-амперной характеристике ЛПД нет участков с отрицательным сопротивлением.

Образование отрицательного сопротивления ЛПД возможно лишь в сравнительно узком диапазоне СВЧ и объясняется результирующим сдвигом фаз между ВЧ напряжением, приложенным к диоду, и током, наведённым во внешней цепи. На остальных частотах сопротивление положительно.