Лавинно-пролётный диод

ЛАВИННО-ПРОЛЁТНЫЙ ДИОД (ЛПД), полупроводниковый диод с отрицательным дифференциальным сопротивлением в СВЧ-диапазоне, работающий при обратном смещении р - n-перехода в режиме лавинного нарастания (умножения) носителей заряда и их пролёта через полупроводниковую структуру. Возникновение отрицательного сопротивления в ЛПД связано с инерционностью развития лавины и конечным временем пролёта носителей заряда в области перехода, что приводит к появлению сдвига фаз между током и напряжением на выводах прибора. Существенным для работы ЛПД является выполнение примерного равенства между периодом СВЧ-колебаний (Т) и характерным временем пролёта носителей заряда τ (Т ≈ τ).

При подаче постоянного обратного напряжения, равного напряжению пробоя, в ЛПД в результате ударной ионизации атомов кристаллической решётки полупроводника электронами, ускоренными внешним электрическим полем, происходит образование пар подвижных носителей заряда (электронов и дырок) в узкой области пространственного заряда вблизи р - n-перехода (область умножения). При воздействии на ЛПД СВЧ-составляющей электрического поля поток носителей заряда, вытекающий из области умножения, модулируется по плотности. Плотность носителей заряда в сгустке нарастает при положительном знаке напряжённости СВЧ-поля и достигает максимума в момент времени 0,5Т, когда это поле равно нулю. Таким образом, большая часть носителей, инжектированных из области умножения в пролётную область (область дрейфа), попадает в тормозящее СВЧ-поле. Дрейфуя в ускоряющем постоянном электрическом поле и тормозящем СВЧ-поле, носители заряда осуществляют преобразование энергии постоянного поля в энергию СВЧ-колебаний.

ЛПД предназначены для генерирования и усиления электромагнитных колебаний в диапазоне частот 1-400 ГГц. Для их изготовления используют ПП материалы с высокой подвижностью и дрейфовой скоростью носителей заряда, а также большой шириной запрещённой зоны (Ge, Si, GaAs, InP); при этом применяют различные ПП структуры (например, р⁺ - n - n⁺, р⁺ - р - n - n⁺, р⁺ - р - n⁺, Ме - n - n⁺), создаваемые диффузией примесей, ионной имплантацией, эпитаксиальным наращиванием и напылением металла (Ме) в вакууме с образованием барьера Шоттки. Для лучшего отвода тепла от р - n-перехода и устранения поверхностного пробоя обычно используют ЛПД с мезаструктурой (от испанского mesa - стол) в форме усечённого конуса, смонтированной на металлической пластине с высокой теплопроводностью (например, из Ag, Cu, Au) или на металлизированной алмазной пластине (рис.). Наибольшая выходная мощность ЛПД достигает сотен Вт в импульсном режиме и десятков Вт в непрерывном; кпд обычно не превышает 30-50%.

Идея создания ЛПД впервые высказана американским учёным У. Т. Ридом в 1958. Генерация СВЧ-колебаний с помощью ЛПД впервые наблюдалась в СССР в 1959 году группой сотрудников под руководством А. С. Тагера.

Лит.: Тагер А. С., Вальд-Перлов В. М. Лавинно-пролетные диоды и их применение в технике СВЧ. М., 1968; Зи С. Физика полупроводниковых приборов. М., 1984. Кн. 2; Аваев Н. А., Шишкин Г. Г. Электронные приборы. М., 1996; Лебедев А. И. Физика полупроводниковых приборов. М., 2008.