Расчет и проектирование диода Ганна

Рисунок 1.3- Эквивалентная схема туннельного диода

Частотные свойства туннельных диодов характеризуются: резонансной частотой f?- частотой, на которой общее реактивное сопротивление диода обращается в нуль; предельной резистивной частотой fR ,на которой активная составляющая полного сопротивления последовательной цепи, состоящей из p-n -перехода и сопротивления потерь, обращается в нуль:

fR= 1/2р |rдифmin| Cд vrдифmin/ rn-1 (1.5)

1.2.5 Обращенные диоды

Разновидностью туннельных диодов являются обращенные диоды. Обращенным называют полупроводниковый диод на основе полупроводника с критической концентрацией примеси, в котором проводимость при обратном напряжении значительно больше, чем при прямом вследствие туннельного эффекта. Большой обратный ток и нелинейность вблизи нулевой точки позволяют использовать такие туннельные диоды в качестве пассивного элемента радиотехнических устройств, детекторов и смесителей для работы при малом сигнале и как ключевые устройства для импульсных сигналов малой амплитуды.Вольт- амперную характеристику обращенных диодов для напряжения U< Umax можно аппроксимировать формулой

I ?U / rдиф eвU (1.6)

где rдиф - дифференциальное сопротивление диода при U=0; в можно определить экспериментально по наклону кривой зависимости логарифма проводимости от напряжения:

ln l/U (U) = -ln rдиф - вU (1.7)

Эквивалентная схема обращенного диода не отличается от эквивалентной схемы туннельного диода

1.2.6 Лавинно-пролетные диоды

Лавинно-пролетным (ЛПД) называют полупроводниковый диод, работающий в режиме лавинного размножения носителей заряда при обратном смещении электрического перехода и предназначенный для генерации сверхвысокочастотных колебаний.

Лавинно-пролетный диод обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением в режиме лавинного пробоя. Недостатком ЛПД является очень низкий к.п.д. Это объясняется тем, что амплитуда колебательного напряжения на диоде намного меньше постоянного напряжения, приложенного к диоду для обеспечения режима лавинного умножения.[2]

1.3 Диод Ганна

В 1963 г. Дж. Ганн ( J.Gunn) установил, что если в монокристаллическом образце из арсенида галлия ( GaAs) или фосфида индия n-типа создать постоянное электрическое поле с напряженностью выше некоторого порогового значения, то в цепи возникают спонтанные колебания силы тока СВЧ- диапазона. Позднее Ганн установил, что при напряженности поля выше пороговой у катода формируется домен сильного электрического поля, который движется к аноду со скоростью примерно равной 105 м/с и исчезает у анода. Когда домен формируется, сила тока в цепи уменьшается, при исчезновении домена сила тока возрастает. Таким образом, в цепи возникают периодические колебания силы тока. В этом же году Б.К. Ридли высказал идею о том, что доменная неустойчивость должна появляться в полупроводниковом образце, если на его вольт- амперной характеристике имеется участок с отрицательной дифференциальной проводимостью N-типа. Такой вид вольт- амперная характеристика будет иметь, если при увеличении напряженности поля скорость носителей либо их концентрация уменьшаются. Б.К. Ридли, Т.Б. Уоткинс и С. Хилсум показали, что в GaAs и InP n-типа скорость электронов должна уменьшаться с ростом напряженности электрического поля, когда она превысит некоторое пороговое значение, достаточное для того, чтобы обусловить междолинный переход электронов из нижней долины, где их подвижность велика, в более высоколежащие долины зоны проводимости, в которых подвижность электронов резко снижается. В 1964 г. Н. Кремер указал, что все основные закономерности эффекта Ганна могут быть объяснены на основе механизма Ридли - Уоткинса - Хилсума.

В основе действия диодов на эффекте Ганна (диоды на эффекте Ганна сокращенно называются диодами Ганна) лежит эффект междолинного переноса электронов (эффект Ганна). На основе эффекта Ганна созданы генераторные и усилительные диоды, применяемые в качестве генераторов накачки в параметрических усилителях, гетеродинов в супергетеродинных приемниках, генераторов в маломощных передатчиках и в измерительной технике. Выходная мощность GaAs диодов достигает 1 Вт в непрерывном режиме на частоте до 10 ГГц, 220 МВт на частотах 50…60 ГГц, 160 мВт на 65 ГГц, 10 мВт на частоте 100 ГГц и 4 мВт на 110 ГГц. Импульсная мощность достигает 100 Вт на частоте 10 ГГц, а в режиме ограниченного накопления объемного заряда имеет порядок 1 кВт. Для InP диодов в непрерывном режиме выходная мощность - до 1,5 Вт, а максимальная рабочая частота - до 200 ГГц.

Диоды Ганна- это полупроводниковые приборы с отрицательным динамическим сопротивлением, возникающим под воздействием сильного электрического поля, предназначенные для генерирования и усиления сверхвысокочастотных колебаний.[4];полупроводниковый диод, действие которого основано на появление отрицательного объемного сопротивления под влиянием сильного электрического поля, предназначенный для генерации и усиления СВЧ- колебаний.[2];

Несмотря на принципиальную простоту конструкции диода Ганна, представляющего собой пластину однородного кристалла арсенида галлия с электропроводностью n-типа с невыпрямляющими контактами, нанесенными на его противолежащие стороны, в производстве таких приборов встречаются трудности, связанные, прежде всего с воспроизводимостью однородного легирования арсенида галлия.

Удельное сопротивление исходного арсенида галлия выбирают от 1 до 10 Ом* см. Время диэлектрической релаксации, ограничивающее скорость образования доменов, в этом случае 10-12- 10-11 с.

В диодах Ганна, имеющих толщину кристалла между электродами более 200 мкм, колебания, как правило, некогерентны. Это связано с наличием в каждом из кристаллов нескольких дефектов, на которых могут зарождаться домены. Путь, пробегаемый доменом от места его зарождения до анода, определяет период колебаний. Поэтому если домены зарождаются на различных неоднородностях кристалла, т. е на различных расстояниях от анода, то колебания имеют шумовой характер. Применение диодов Ганна практически оправдано в диапазоне частот более 1 ГГц, что соответствует толщине кристаллов полупроводника между электродами l ?100 мкм.

В свою очередь наименьшая толщина кристаллов полупроводника для диодов Ганна ограничивается технологическими трудностями. Так, при использовании традиционных методов изготовления тонких пластинок из арсенида галлия (шлифовки, полировки и травления) удается получить диод Ганна с l?2 мкм, величиной порогового напряжения 1В и частотой генерации около 30 ГГц. Однако такой метод производства диодов Ганна малой длины чрезвычайно труден и слишком трудоемок.

Более приемлем метод фотолитографии, который позволяет уменьшить расстояние между контактами до 1 мкм. Перспективным в изготовлении тонких пленок арсенида галлия является метод эпитаксиального наращивания.

При создании низкоомных омических контактов, необходимых для работы диодов Ганна, существуют два подхода.

Первый из них заключается в поисках приемлемой технологии нанесения таких контактов непосредственно на высокоомный арсенид галлия.

Второй подход заключается в изготовлении многослойной конструкции генератора (типа «сэндвич»). В диодах такой структуры на слой сравнительно высокоомного арсенида галлия, служащего рабочей частью генератора, наращивают с двух сторон эпитаксиальные слои относительно низкоомного арсенида галлия с электропроводностью n-типа. Эти высоколегированные слои служат переходными прослойками от рабочей части прибора к металлическим электродам.

Такие многослойные генераторы имеют два преимущества по сравнению с обычной конструкцией диодов Ганна. Во-первых, нанесение металлических контактов на сильнолегированный материал является сравнительно простой и хорошо освоенной в серийном производстве операцией. Во-вторых, при весьма тонкой рабочей части диода может иметь сравнительно большую общую толщину, что упрощает обращение с ним при напайке внешних выводов, монтаже в СВЧ- патрон.

Проводились эксперименты по изготовлению диодов Ганна на основе таких материалов, как теллурид кадмия, арсенид и фосфид индия. Однако техника получения этих материалов отработана хуже, чем техника получения арсенида галлия и эксперименты имели чисто научное значение. Арсенид галлия является пока единственным материалом, практически применяемым для изготовления диодов Ганна.

Структура диода Ганна представляет собой в принципе однородную пленку из высокоомного полупроводника с омическими контактами с обеих сторон пленки. Активная область - высокоомная пленка полупроводника n- типа. Содержание легирующей примеси в GaAs-пленке выбирается исходя из ее толщины. Толщина пленки связана с рабочей частотой соотношением (T?щ/v). Практически концентрация примесей в пленке имеет порядок 1015см-3. Один из контактов называют катодом (К), противоположный контакт - анодом (А). Электроны движутся от катода к аноду. Структуры диодов Ганна не содержат выпрямляющих переходов.

Пленка выращена на высоколегированной подложке из GaAs. Концентрация легирующей примеси в подложке - около 1018 см-3 .Толщина подложки 100…200 мкм. Поверх пленки выращен еще один слой высоколегированного GaAs n- типа. Концентрация легирующих примесей в этом слое примерно такая же, как в подложке. Высоколегированные слой и подложка необходимы, чтобы улучшить качество омических контактов. Получается слоистая структура n+-n-n+ - типа. После этого большая часть толщины подложки сошлифовывается для улучшения условий отвода тепла от активного слоя диода. На обе стороны образованной структуры наносят металлические пленки, служащие омическими контактами. Наиболее распространены омические контакты из эвтектического сплава Ge с Au и серебряно- оловянистые контакты.

Слоистую структуру большой площади ( пластину) разделяют на отдельные диодные структуры (кристаллы). Диаметр исходной пластины равен диаметру слитка (около 10 мм). Размер кристалла для одного диода составляет доли миллиметра. Разделение пластины на кристаллы производят чаще всего химическим травлением с применением техники фотолитографии. В результате разделения образуются мезаструктуры.

Практически слоистая (трехслойная) структура n+-n-n+ - типа может работать только при определенной полярности приложенного напряжения - когда анодом является подложка. Причина состоит в том, что уровни легирования подложки и эпитаксиального n+- слоя неодинаковы, n+- n-переход между эпитаксиальным n+- слоем и активным n-слоем более резок, чем переход между подложкой и тем же n-слоем. Условия для образования домена на резком n+-n- переходе оказываются более удовлетворительными, поэтому когда в качестве катода используется эпитаксиальный n+- слой, то диод Ганна работает эффективнее. Чтобы диоды работали одинаково при обеих полярностях приложенного напряжения, иногда прибегают к созданию дополнительного (буферного) эпитаксиального n+- слоя между подложкой и n-слоем (четырехслойные n++- n+- n-n+ -структуры)

Характерной особенностью диодов Ганна является очень высокая рассеиваемая мощность в диоде, приходящаяся на единицу объема структуры (высокая плотность рассеиваемой мощности). Плотность рассеиваемой мощности достигает в некоторых участках структуры диода 104 Вт/мм3.Это связано с тем, что для образования доменов необходимы электрические поля высокой напряженности при малых размерах структуры и больших значениях тока.

Столь высокая плотность мощности приводит к интенсивному тепловыделению, что серьезно осложняет вопросы конструирования диодов Ганна. Уменьшить плотность тепловыделения увеличением поперечной площади структуры диода (т.е. увеличить объем структуры) не удается, так как при этом ухудшаются условия охлаждения ее внутренних частей. Дело осложняется также низкой теплопроводностью GaAs. Для разрешения этой задачи найдено несколько достаточно сложных путей.

Прежде всего, для улучшения теплоотвода сошлифовывают большую часть подложки, чтобы довести толщину слоя до значения менее 10 мкм. Металлические контакты к обеим сторонам структуры создают напылением металла в вакууме с последующим химическим наращиванием. Такой контакт улучшает условия теплоотвода. Для улучшения теплоотвода структура диода присоединяется к кристаллодержателю со стороны n+- слоя, выращенного на активном слое диода. Преимущество заключается в меньшей толщине n+- слоя с этой стороны. Для диодов с таким «перевернутым» монтажом характерно тепловое сопротивление 10… 20 град/Вт, в то время как для прямого монтажа 30… 60 град/Вт. Поэтому перевернутый монтаж применяется в основном для изготовления мощных диодов с Рвых>1 Вт.

Поскольку увеличивать площадь структуры не удается, то применяют многомезную площадь структуры, содержащую несколько мезаструктур (3-5) в одном диоде. Если отдельные структуры достаточно удалены друг от друга, то удается заметно снизить температуру горячей области диода. Может быть использована также кольцевая структура. Заметный положительный эффект в виде уменьшения температуры структуры диода достигается, когда внутренний диаметр кольца составляет более чем 70…80% наружного диаметра.

Чтобы улучшить условия теплопередачи от структуры диода к кристаллодержателю, предлагалось впрессовывать в кристаллодержатель алмазную пластинку для присоединения к ней диодной структуры. Теплопроводность алмаза очень велика, однако высокая стоимость и трудность обработки и металлизации осложняют его использование

Наиболее распространенным конструктивным оформлением диода Ганна является миниатюрный корпус, представляющий собой кварцевое или керамическое колечко, металлизированное с торцевых поверхностей. Внутри корпуса монтируется структура диода, сидящая на массивном теплоотводе.

Технология InP- диодов в принципе близка к технологии арсенид-галлиевых приборов, но содержит важное отличие - сложный профиль легирующей примеси у катода фосфид - индиевых диодов. Такой профиль необходим в связи с особенностями движения электронов в фосфиде индия. Технология InP-приборов находится пока еще в стадии развития.

К-катод, А-анод, 1-активный n-слой, 2-промежуточный n+-слой, 3-металлические контакты, 4- подложка n+-типа, 5 - теплоотвод, 6-ленточный вывод.

Рисунок 1.5- Структура диода Ганна с перевернутым монтажом

При экспериментальном исследовании в диодах Ганна обнаружена своеобразная движущаяся неоднородность напряженности электрического поля в рабочем режиме. При малом приложенном к диоду напряжении электрическое поле в структуре равномерно. При увеличении приложенного напряжения растет напряженность электрического поля в диоде и, достигнув критического значения, распределение электрического поля в диоде перестает быть однородным. При этом образуются области слабого и сильного полей. Область сильного поля получила название домен сильного поля, домен движется в структуре диода от катода к аноду со скоростью, близкой к скорости дрейфа электронов. В GaAs скорость дрейфа электронов при напряженности электрического поля, близкой к критической, равна приблизительно 107 см/с. Домен доходит до анода и исчезает в нем. Как только домен исчезнет, у катода образуется новый домен и начинает двигаться к аноду.

Рассмотренное явление называется доменной неустойчивостью. Напряженность электрического поля в домене очень высока - от 40 до 200 кВ/см, а вне домена только 1…..2 кВ/см. Размеры домена составляют обычно 1/10…1/30 толщины структуры диода.

В основе явления доменной неустойчивости лежит особая зависимость скорости дрейфа электронов в таких полупроводниках как GaAs и InP от Е.Особенность этой зависимости состоит в том, что существует такой интервал напряженностей электрического поля, когда при росте Е скорость дрейфа электронов поля, уменьшается.

На движение электронов в кристалле действуют приложенные извне электрические поля и внутреннее, созданное атомами, образующими кристалл. Условно считают, что при движении в кристалле электрон подвергается только влиянию приложенного электрического поля, но при этом его масса отличается от массы, которую он имеет при движении вне кристалла. Эту условную массу, как бы измененную под действием внутренних полей, называют эффективной массой электрона в кристалле полупроводника.

В GaAs и InP на высоких уровнях энергии эффективная масса электрона столь велика, что скорость дрейфа при более высоких энергиях оказывается ниже, чем при меньших энергиях. В этом и заключается причина появления падающего участка. Уменьшение скорости дрейфа приводит к образованию сгустков дрейфующих электронов.

Страницы: 1, 2, 3