Пространственно-временная диаграмма

Предположим, что в слое умножения и дрейфа имеется одинаковая и достаточно большая напряженность электрического поля, изменяющаяся во времени по синусоидальному закону E(t). П ри большой амплитуде поля лавинный процесс приводит к образованию короткого сгустка носителей, запаздывающего на четверть периода от максимума поля. Этому сгустку соответствует короткий импульс лавинного тока i_л(t) на границе x=d между слоями умножения и дрейфа. Далее носители сгустка двигаются в электрическом поле слоя дрейфа, пока не достигнут его границы (х—D) при угле пролета θ_дp. Пространственно-временная диаграмма для слоя дрейфа изображена прямыми линиями, так как дрейфовая скорость носителей постоянна.

Угол пролета при выбранной ширине слоя D зависит от частоты. Если θ_дp<π, то носители все время пролета находятся в тормозящем полупериоде поля и отдают свою энергию полю, вызывая увеличение этого поля. При θ_дp>π последнюю часть пути в области дрейфа носители летят в ускоряющем полупериоде поля, что ослабляет эффект предыдущего взаимодействия и приводит в целом к снижению энергии, передаваемой носителями полю за все время пролета. Если θ_дp—2π, то эффект взаимодействия носителей и поля исчезает.

На рис. 7.3. при х—D показана зависимость дрейфового тока от времени i_др(t) в виде узкого импульса, повторяющего импульс i_л(t). Одновременно изображена кривая наведенного тока i_нaв(t). созданного движением короткого сгустка на пути от x=d до χ=D. В случае короткого сгустка форма кривой наведенного тока близка к прямоугольной. Разложением в ряд Фурье может быть определена первая гармоника i_нaв(1) этого тока. В идеальном случае она совпадает по фазе с полем, если θ_дp=π.

Для изготовления ЛПД используют кремний, германий и арсенид галлия. Требуемую структуру получают методами эпитаксиального наращивания, диффузии и ионного легирования. При их изготовлении стремятся по возможности снизить активные потери: утечку тока по поверхности p-n-перехода и сопротивление объема кристалла. Необходимо обеспечить однородность p-n-перехода, в противном случае возможно возникновение локальных пробоев и т. д.

Приведена одна из структур лавинно-пролетного диода, изготовленного по планарной технологии. Для устранения пробоя по поверхности создано охранное кольцо n-типа.

Преимуществом ЛПД перед другими генераторами СВЧ-мощности является незначительная суммарная толщина структуры (один переход). Это очень важно, так как ЛПД работает в режиме лавинного пробоя и плотность мощности на переходе достигает больших величин до 10⁵ Вт/см². Тонкие структуры облегчают отвод тепла от перехода. Для лучшего отвода тепла в ЛПД применяют так называемую обратную сборку, кристалл присоединяют к теплоотводу той стороной, где переход расположен на небольшой глубине от поверхности кристалла.

Структура лавинно - пролетного диода (a) и распределение в нем концентрации примеси (6), электрического поля (в), коэффициента ударной ионизации (г), а также вoльт-aмпepнaя характеристика ЛПД (д)