Лавинно-пролётный диод

Лави́нно-пролётный дио́д (ЛПД, IMPATT-диод) — диод, основанный на лавинном умножении носителей заряда. Лавинно-пролётные диоды применяются в основном для генерации колебаний в диапазоне СВЧ. Процессы, происходящие в полупроводниковой структуре диода, ведут к тому, что активная составляющая комплексного сопротивления на малом переменном сигнале в определённом диапазоне частот отрицательна. На вольт-амперной характеристике лавинно-пролётного диода, в отличие от туннельного диода, отсутствует участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Рабочей для лавинно-пролётного диода является область лавинного пробоя.

Идея, лежащая в основе работы лавинно-пролётного диода, сформулирована в 1958 году У. Т. Ридом (W. Т. Read). Эффект генерации колебаний при лавинном пробое обнаружен в 1959 году А. С. Тагером, А. И. Мельниковым и другими (НПП «Исток», г. Фрязино Московской области). Первый лавинно-пролётный диод был разработан в лаборатории СВЧ-диодов НИИ «Пульсар» под руководством В. М. Вальд-Перлова.

Устройство и принцип работы

Структура ЛПД

Для изготовления лавинно-пролётных диодов используют кремний и арсенид галлия. Такие диоды могут иметь различные полупроводниковые структуры: p⁺-n-n⁺, p⁺-n-i-n⁺, m-n-n⁺ (m-n — переход металл-полупроводник), n⁺-n-p-p⁺ и другие. Распределение концентраций примесей в переходах должно быть как можно ближе к ступенчатому, а сами переходы — максимально плоскими.

Принцип работы лавинно-пролётного диода рассмотрим на примере p⁺-n-n⁺ структуры. Центральная слаболегированная n-область называется базой.

При напряжении, близком к пробивному, обеднённый слой p⁺—n-перехода распространяется на всю базу. При этом напряжённость электрического поля растёт от n-n⁺-перехода к p⁺-n переходу, вблизи которого можно выделить тонкую область, в котором напряжённость превышает пробивное значение, и происходит лавинное размножение носителей. Образующиеся при этом дырки утягиваются полем в p⁺-область, а электроны дрейфуют к n⁺-области. Эта область называется слоем лавинного размножения. За его пределами дополнительных электронов не возникает. Таким образом, слой лавинного размножения является поставщиком электронов.

При подаче на контакты диода переменного напряжения такого, что в течение положительного полупериода напряжение существенно больше, а в течение отрицательного — существенно меньше напряжения пробоя, ток в слое умножения приобретает вид коротких импульсов, максимум которых запаздывает по отношению к максимуму напряжения приблизительно на четверть периода (лавинное запаздывание). Из слоя умножения периодически выходят сгустки электронов, которые движутся через слой дрейфа в течение отрицательного полупериода, когда процесс генерации электронов в слое умножения прекращается. Движущиеся сгустки наводят во внешней цепи ток, почти постоянный в течение времени пролёта. Таким образом, ток в диоде имеет вид прямоугольных импульсов. Этот режим работы диода называется пролётным (IMPATT-диоды). КПД этого режима не превышает 0,3.

Если амплитуда переменного напряжения на диоде достигает значения, примерно равного пробивному напряжению, то в лавинной области образуется столь плотный объёмный заряд электронов, что напряжённость поля со стороны p⁺-области понижается практически до нуля, а в области базы повышается до уровня, достаточного для развития процесса ударной ионизации. В результате этого процесса слой лавинного умножения смещается и формируется в области базы на фронте сгустка электронов. Таким образом, в области дрейфа образуется движущаяся в направлении n⁺-области лавина, которая оставляет за собой большое количество электронов и дырок. В области, заполненной этими носителями, напряжённость поля понижается почти до нуля. Это состояние принято называть компенсированной полупроводниковой плазмой, а режим работы лавинно-пролётного диода — режимом с захваченной плазмой (TRAPATT-диоды).

В этом режиме можно выделить три фазы. Первая — образование лавинного ударного фронта, прохождение его через диод, оставляя его заполненным плазмой, захваченной слабым электрическим полем. Ток, текущий через диод в этой фазе, существенно увеличивается из-за дополнительного размножения носителей в базе, а напряжение на диоде за счёт образования плазмы снижается почти до нуля. Вторая фаза — период восстановления. База диода в этой фазе наполнена электронно-дырочной плазмой. Дырки из области базы дрейфуют к p⁺-области, а электроны — к n⁺-области со скоростью значительно меньшей, чем дрейфовая скорость насыщения. Плазма постепенно рассасывается. Ток в этой фазе остается неизменным. Наступает третья фаза, характеризуемая высоким значением напряжённости поля в диоде и предшествующая новому образованию лавинного ударного фронта. Наибольшую длительность имеет именно третья фаза.

Процессы режима с захваченной плазмой протекают заметно дольше, чем процессы пролётного режима. Поэтому при работе в режиме с захваченной плазмой контур настраивают на меньшую частоту. КПД режима с захваченной плазмой при этом заметно выше КПД пролётного режима и превышает 0,5.

Существует разновидность лавинно-пролётных диодов, работающих в инжекционно-пролётном режиме (BARITT-диоды).

См. также

• Туннельный диод
• Диод Ганна
• pin диод

Литература

• Аваев, Н. А., Шишкин. Г. Г. Электронные приборы. — Издательство МАИ, 1996.
• Лебедев. А. И. Физика полупроводниковых приборов. — М.: Физматлит, 2008.
• Кукарин С. В. Электронные СВЧ приборы: Характеристики, применение, тенденции развития. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Радио и связь, 1981. — С. 169—173. — 272 с. — 8000 экз.
• Кулешов В.Н., Удалов Н.Н., Богачев В.М. и др. Генерирование колебаний и формирование радиосигналов. — М.: МЭИ, 2008. — 416 с. — ISBN 978-5-383-00224-7.

Ссылки

• Лавинно-пролётный полупроводниковый диод — статья из Большой советской энциклопедии. 
• Лавинно-пролётный диод (ЛПД)