Расчет и проектирование диода Ганна (стр. 4 из 7)
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.
Распределение напряженности электрического поля Е по толще структуры диода никогда не может быть идеально однородным. Особенно неоднородно это распределение у катода и у анода из-за неоднородности состава и удельного сопротивления полупроводника в этих областях. Пусть между анодом и катодом приложено постоянное напряжение, создающее в структуре диода напряженность электрического поля. Из-за неоднородности сопротивления полупроводника у катода напряженность электрического поля в некоторых точках ниже, чем в соседних. Но понижение Е ниже критического значения ведет к повышению скорости дрейфа, а повышение Е ведет к понижению скорости электронов в этом месте структуры. К замедлившимся электронам начнут подходить электроны, находившиеся ближе к катоду, образуя в месте неоднородности избыток, «сгусток» электронов. Электроны, находящиеся ближе к аноду, будут уходить от замедлившихся электронов. В результате в структуре диода возникает домен сильного поля. Фронт домена, обращенный к аноду, обеднен электронами. Фронт, обращенный к катоду, представляет собой сгусток электронов.
Домен может возникнуть и на неоднородности структуры вблизи анода. Но в этом случае он будет почти сразу поглощен анодом и не успеет вырасти. При своем движении от катода к аноду домен захватывает все новые электроны, но его росту мешают силы взаимного отталкивания этих заряженных частиц. Теоретически доказано и проверено экспериментально, что условием роста домена является соотношение
n0ω>10121/см2 (1.8)
гдеn0- концентрация подвижных электроновв полупроводнике, ω-расстояние между катодом и анодом. Если это условие соблюдено, то домен увеличивается, двигаясь к аноду.
Процессом образования, движения и исчезновения доменов сильного поля вполне объясняется явление пульсации тока в цепи с диодом Ганна. Пока домен движется, электрическое поле вне его очень мало. Скорости дрейфа носителей заряда вне домена также относительно малы и соответственно мал ток в цепи диода. Когда домен исчезнет, достигнув анода, а новый домен еще не успеет образоваться, то распределение напряженности поля в толще диодной структуры станет почти однородным. Тогда все электроны диода в полной мере участвуют в переносе тока, и последний в этот промежуток времени достигает пикового значения.
Imax = Sen0vmax (1.9)
Практически диоды Ганна могут иметь значение ω от единиц до нескольких сотен микрометров, при этом длительность периода колебаний лежит в диапазоне СВЧ.
Такой режим работы диода Ганна называют пролетным режимом. В пролетном режиме ток через диод представляет собой импульсы, следующие с периодом T= tпр= l/vдом. Диод генерирует СВЧ- колебания с пролетной частотой fпр= 1/ tпр= vдом/l, определяемой в основном длиной образца и слабо зависящей от нагрузки ( именно такие колебания наблюдал Ганн при исследовании образцов из GaAs и InP).[4]
Электронные процессы в диоде Ганна должны рассматриваться с учетом уравнений Пуассона, непрерывности и полной плотности тока, имеющих для одномерного случая следующий вид:
e dn/dt+ e d/dx [nv (E) – D dn/dx]=0 (1.10)
Jполн= I/S =env (E) – eD dn/dx+εε0dE/dt (1.11)
Мгновенное напряжение на диоде U =
Edx.Полный ток не зависит от координат и является функцией времени. Часто коэффициент диффузии D считают не зависящим от электрического поля.В зависимости от параметров диода (степени и профиля легирования материала, длины и площади сечения образца и его температуры), а также от напряжения питания и свойств нагрузки диод Ганна, как генератор и усилитель СВЧ- диапазона, может работать в различных режимах: доменных, ограничения накопления объемного заряда (ОНОЗ), гибридном, бегущих волн объемного заряда, отрицательной проводимости.
Для доменных режимов работы диода Ганна характерно наличие в образце сформировавшегося дипольного домена в течение значительной части периода колебаний. Скорость домена vдом и максимальная напряженность поля в нем Едом связаны правилом равных площадей
∫ [v (E) – vдом ] dx=0 (1.12)
В соответствии с этим правилом площади, v(E), vдом = const ,Eдом = const, являются одинаковыми. Максимальная напряженность поля Eдом в домене значительно превышает поле Ев вне домена и может достигать десятков кВ/см.
Длина домена зависит от концентрации донорной примеси, а также от напряжения на диоде и при n0 ≈ 1015 см -3 составляет 5- 10 мкм. Уменьшение концентрации примеси приводит к расширению домена за счет увеличения обедненного слоя. Формирование домена происходит за конечное время τф и связано с установлением отрицательной дифференциальной проводимости и с нарастанием объемного заряда. Постоянная времени нарастания объемного заряда в режиме малого возмущения равна постоянной диэлектрической релаксации τд и определяется отрицательной дифференциальной подвижностью μдиф и концентрацией электронов n0. При максимальном значении μ2диф ≈ 2000 см2 *(В *с)-1 τд. ≈ 3 *10-12 c, тогда как время установления ОДП менее 10-12 с. Таким образом, время формирования домена определяется в значительной степени процессом перераспределения объемного заряда. Оно зависит от начальной неоднородности поля, уровня легирования и приложенного напряжения. Приближенно считают, что домен успеет полностью сформироваться за время:
τф ≈ ( 10÷20 ) τд ≈ 5 * 104/ n0 (1.13)
гдеn0 выражено в см -3. Говорить о доменных режимах имеет смысл только в том случае, если домен успеет сформироваться за время пролета электронов в образце tпр = l / vнас Отсюда условием существования дипольного домена является tпр > τф, или n0 >5*1011 см-2
Значение произведения концентрации электронов на длину образца n0l = 5*1011 называют критическим и обозначают (n0l)кр. Это значение является границей доменных режимов диода Ганна и режимов с устойчивым распределением электрического поля в однородно легированном образце. При n0l < (n0l)кр домен сильного поля не образуется, и образец называют стабильным. При n0l>(n0l)кр возможны различные доменные режимы. Критерий типа n0l < (n0l)кр справедлив, строго говоря, только для структур, у которых длина активного слоя между катодом и анодом много меньше поперечных размеров: l<<d, что соответствует одномерной задаче и характерно для планарных и мезаструктур. У тонкопленочных структур эпитаксиальный активный слой GaAs длиной l может быть расположен между высокоомной подложкой и изолирующей диэлектрической пленкой, выполненной из SiO2. Омические анодные и катодные контакты изготовляют методами фотолитографии. Поперечный размер диода d может быть сравним с его длиной l. В этом случае образующиеся при формировании домена объемные заряды создают внутренние электрические поля, имеющее не только продольную компоненту Ех, но и поперечную компоненту Еу. Это приводит к уменьшению поля по сравнению с одномерной задачей. При малой толщине активной пленки, когда d<<l ,критерий отсутствия доменной неустойчивости n0l < (n0l)кр заменяется на условие n0d<(n0d)кр. Для таких структур n0l при устойчивом распределении электрического поля может быть больше 5*1011 см-2 .