3.13. Лавинно-пролетные диоды

Для усиления и генерации колебаний СВЧ могут успешно применяться лавинно-пролетные диоды (ЛПД или IMPATT – Impact Avalanche and Transit Time). Эти диоды работают в режиме электрического пробоя при постоянном обратном напряжении и при известных условиях могут обладать отрицательным сопротивлением для переменного тока. Такое отрицательное сопротивление получается только при работе на СВЧ. На более низких частотах оно не возникает.

Пусть к ЛПД приложено постоянное обратное напряжение и некоторое переменное. Под действием положительной полуволны обратного напряжения в режиме пробоя происходит лавинообразное нарастание тока — электрическая лавина. Вследствие конечного времени пролета носителей через p – n – переход, эта лавина достигает максимума с некоторым запаздыванием по отношению к вызвавшей ее положительной полуволне переменного напряжения. Под действием постоянного напряжения лавина продолжает двигаться и в течение следующего, отрицательного полупериода напряжения. Таким образом, импульс тока, соответствующий лавине, противоположен по знаку отрицательной полуволне переменного напряжения. Следовательно, для переменного тока возникает отрицательное сопротивление.

Подключая ЛПД к колебательной системе СВЧ, можно за счет отрицательного сопротивления получить режим генерации колебаний или усиления. На более низких частотах инерционность процессов сказывается слишком мало и запаздывание импульса тока по отношению к переменному напряжению полу­чается также ничтожно малым, поэтому отрицательное дифференциальное сопротивление практически отсутствует. ЛПД могут иметь не только p – n – структуру, но и более сложную, например в диодах IMPATT используется структура п⁺ - p - i - p⁺,

При при­менении ЛПД для усиления сигналов сказывается их недостаток — относительно высокий уровень собственных шумов.

3.14. Диод Ганна

Эффект Ганна состоит в том, что при достаточно большом напряжении, приложенном к полупроводнику, в этом полупроводнике возникают СВЧ-колебания.

Диод Ганна представляет собой полупроводниковый кристалл без p – n –перехода, в котором создано сильное постоянное электрическое поле. Для вклю­чения диод имеет два электрода: анод и катод. Должен применяться такой полупроводник, который имеет две зоны проводимости, например арсенид галлия. В зоне, расположенной выше, т. е. соответствующей более высоким уровням энергии, подвижность электронов меньше.

При отсутствии внешнего поля или при сравнительно слабом поле электроны находятся в нижней зоне проводимости, где они обладают более высокой подвижностью, и поэтому полупроводник имеет сравнительно высокую проводимость. Если увеличивать напряжение, приложенное к полупроводнику, то сначала ток возрастает в соответствии с законом Ома, но при некотором напряжении, когда напряженность поля становится достаточно высокой, большая часть элек­тронов переходит в верхнюю зону проводимости и вследствие уменьшения их подвижности в этой зоне сопротивление полупроводника резко увеличивается. Ток уменьшается, и на вольт-амперной характеристике возникает падающий участок, соответствующий отрицательному дифференциальному сопротивлению (рис. 3.22).

Рис. 3.22. Вольт-амперная характеристика диода Ганна

Дальнейшее увеличение приложенного напряжения снова вызывает примерно пропорциональное возрастание тока.

Вследствие неизбежных неоднородностей в полупроводнике рассмотренное повышение сопротивления под действием сильного поля происходит в данный момент времени не во всем полупроводнике, а лишь в каком-то одном месте. Область такого повышенного сопротивления и более сильного поля называют доменом (рис. 3.23).

Рис. 3.23. Домен в диоде Ганна

Домен обычно образуется около катода (минус) и не остается на одном месте, а движется с большой скоростью к аноду (плюс). В самом домене скорость электронов меньше, чем на других участках, и, следовательно, плотность объемного заряда увеличена, т. е. домен представляет собой своеобразный электронный сгусток. В нем сосредоточено более сильное поле, а в остальной части полупроводника поле более слабое и скорость электронов выше. Поэтому справа от домена электроны быстрее уходят к аноду и возникает область, обедненная электронами. А слева от домена, наоборот, к нему быстрее приходят новые электроны. Этот процесс обусловливает перемещение домена от катода к аноду.

Дойдя до анода, домен исчезает, но новый домен снова возникает около катода, движется к аноду и т. д. Пропадание доменов и возникновение новых сопровождается периодическим изменением сопротивления диода Ганна, вследст­вие чего появляются колебания тока диода, частоты которых при соответ­ствующей достаточно малой длине пути домена (расстоянии анод — катод) ока­зываются в диапазоне СВЧ. Частота этих колебаний:

, (3.19)

где — скорость перемещения домена, составляющая для арсенида галлия примерно 10⁷ см/с; L—длина полупроводника (обычно единицы микрометров для диодов Ганна).

Отсюда следует, что, например, при L= 10 мкм частота колебаний f = 10⁷/10^-3 = 10¹⁰ Гц = 10 ГГц.