Эффект двойного расщепления слоя умножения в лавинно-генераторных диодах и генерация двухчастотных автоколебаний
В работе рассматривается задача разработки лавинно-генераторных диодов, синхронно генерирующих два автоколебания микроволнового и терагерцевого диапазонов. Суммирование двух колебаний с близкими или с разными частотами позволяет управлять энергетическими и спектральными характеристиками выходного си...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Радіофізика та електроніка |
|---|---|
| Дата: | 2016 |
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
2016
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/106302 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Эффект двойного расщепления слоя умножения в лавинно-генераторных диодах и генерация двухчастотных автоколебаний / К.А. Лукин, П.П. Максимов // Радіофізика та електроніка. — 2016. — Т. 7(21), № 2. — С. 59-65. — Бібліогр.: 20 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860084836416356352 |
|---|---|
| author | Лукин, К.А. Максимов, П.П. |
| author_facet | Лукин, К.А. Максимов, П.П. |
| citation_txt | Эффект двойного расщепления слоя умножения в лавинно-генераторных диодах и генерация двухчастотных автоколебаний / К.А. Лукин, П.П. Максимов // Радіофізика та електроніка. — 2016. — Т. 7(21), № 2. — С. 59-65. — Бібліогр.: 20 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Радіофізика та електроніка |
| description | В работе рассматривается задача разработки лавинно-генераторных диодов, синхронно генерирующих два автоколебания микроволнового и терагерцевого диапазонов. Суммирование двух колебаний с близкими или с разными частотами позволяет управлять энергетическими и спектральными характеристиками выходного сигнала. Исследованы физические процессы, протекающие в лавинно-генераторных диодах на основе резких Si и GaAs p–n-переходов при высоком постоянном напряжении обратного смещения. Обнаружен эффект двойного расщепления слоя умножения. Показано, что в предложенных авторами лавинно-генераторных диодах синхронно возбуждаются и поддерживаются регулярные и хаотические автоколебания электронной и дырочной компонент выходной мощности соответственно в p- и n-областях p–n-перехода.
У роботі розглянуто завдання розробки лавинно-генераторних діодів, які синхронно генерують два автоколивання мікрохвильового і терагерцового діапазонів. Підсумовування двох коливань з близькими або з різними частотами дозволяє керувати енергетичними і спектральними характеристиками вихідного сигналу. Досліджено фізичні процеси, що відбуваються в лавинно-генераторних діодах на основі різких Si і GaAs p–n-переходів при високій постійній напрузі зворотного зміщення. Виявлено ефект подвійного розщеплення шару множення. Показано, що в запропонованих раніше авторами лавинно-генераторних діодах синхронно збуджуються і підтримуються регулярні і хаотичні автоколивання електронної і діркової компонент вихідної потужності відповідно в p- і n-областях p–n-переход
Design of avalanche-generating diodes that generate two phase locked oscillations in microwave and THz ranges is considered in the paper. Summation of two generating oscillations with either close or different frequencies allows managing power and spectral characteristics of the output signal. The physical processes occurring in the avalanche-generating diodes on the basis of abrupt Si and GaAs p–n-junctions at the constant reverse biased voltage are investigated. The effect of the double splitting of the multiplication layer has been revealed. In the suggested avalanche-generating diodes, regular and chaotic selfoscillations of electrons and holes components of the output power are excited in p- and n-regions of the p–n-junction, respectively.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:19:20Z |
| format | Article |
| fulltext |
ВВААККУУУУММННААЯЯ ИИ ТТВВЕЕРРДДООТТЕЕЛЛЬЬННААЯЯ ЭЭЛЛЕЕККТТРРООННИИККАА
_________________________________________________________________________________________________________________
__________
ISSN 1028−821X Радиофизика и электроника. 2016. Т. 7(21). № 2 © ИРЭ НАН Украины, 2016
УДК 621.382.029
К. А. Лукин, П. П. Максимов
Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины
12, ул. Ак. Проскуры, Харьков, 61085, Украина
E-mail: lukin.konstantin@gmail.com
ЭФФЕКТ ДВОЙНОГО РАСЩЕПЛЕНИЯ СЛОЯ УМНОЖЕНИЯ В ЛАВИННО-
ГЕНЕРАТОРНЫХ ДИОДАХ И ГЕНЕРАЦИЯ ДВУХЧАСТОТНЫХ АВТОКОЛЕБАНИЙ
Актуальной задачей полупроводниковой электроники является создание мощных источников электромагнитных колеба-
ний микроволнового и терагерцевого диапазонов. В работе рассматривается задача разработки лавинно-генераторных диодов, син-
хронно генерирующих два автоколебания микроволнового и терагерцевого диапазонов. Суммирование двух колебаний с близкими
или с разными частотами позволяет управлять энергетическими и спектральными характеристиками выходного сигнала. Исследо-
ваны физические процессы, протекающие в лавинно-генераторных диодах на основе резких Si и GaAs p–n-переходов при высоком
постоянном напряжении обратного смещения. Обнаружен эффект двойного расщепления слоя умножения. Показано, что в пред-
ложенных авторами лавинно-генераторных диодах синхронно возбуждаются и поддерживаются регулярные и хаотические автоко-
лебания электронной и дырочной компонент выходной мощности соответственно в p- и n-областях p–n-перехода. Ил. 7. Табл. 2.
Библиогр.: 20 назв.
Ключевые слова: лавинно-генераторный диод, двойное расщепление слоя умножения, спектр выходной мощности,
электронный коэффициент полезного действия, режим с захваченной плазмой.
В настоящее время мощные диодные ге-
нераторы микроволнового и терагерцевого (ТГц)
диапазонов являются полупроводниковыми при-
борами, существенно влияющие на формирова-
ние характеристик современной радиоэлектрон-
ной аппаратуры различного функционального на-
значения [1–4]. Полупроводниковый источник
СВЧ-мощности является единой конструкцией,
включающей активный полупроводниковый при-
бор и электродинамическую систему, с которой
соединен активный элемент [3].
Широкое применение в качестве актив-
ных элементов генераторов СВЧ-мощности на-
шли лавинно-пролетные диоды (ЛПД) на основе
Ge, Si и GaAs p–n-переходов. Согласно нелиней-
ной теории ЛПД [1–4], в таких диодах при посто-
янном напряжении обратного смещения колеба-
ния не возбуждаются. Генерация колебаний в
ЛПД возможна только при наличии переменного
напряжения на p–n-переходе. Для этого диод по-
мещают в колебательный контур СВЧ, который и
обеспечивает переменное напряжение на диоде в
виде U(t) = U0 + U1sin(ωt). Однако общепринятая
нелинейная теория [1–4] ограничивается рас-
смотрением физических процессов, протекающих
в ЛПД при плотности заряда подвижных носите-
лей, значительно меньшей плотности заряда при-
месных атомов. Это дает возможность пренеб-
речь влиянием заряда подвижных носителей на
напряженность электрического поля, что сущест-
венно упрощает анализ автоколебательных ре-
жимов. Однако это также не позволяет изучать
физические процессы, которые происходят в об-
ратносмещенных p–n-переходах при высоком на-
пряжении на диоде.
Существуют различные подходы к теоре-
тическому анализу разрабатываемых диодных ге-
нераторов [3]. В работах [5–16] для теоретическо-
го анализа обратносмещенных резких Ge, Si и
GaAs p–n-переходов применен подход, при кото-
ром рассматривается полная система уравнений,
описывающая физические процессы в диоде.
Такой подход позволяет определить динамиче-
ские процессы в обратносмещенных резких
p–n-переходах и при высоком напряжении обрат-
ного смешения. Показано, что при заряде по-
движных носителей, сравнимом по величине с за-
рядом примесных атомов, на статической вольт-
амперной характеристике (ВАХ) наблюдается
участок с динамической токовой неустойчи-
востью. Наличие такого участка является одним
из основных условий, при котором в обратно-
смещенных резких p–n-переходах с постоянным
напряжением обратного смещения возможно воз-
буждение автоколебаний [5–15]. Генерирующие
обратносмещенные резкие p–n-переходы с посто-
янным напряжением были названы нами лавин-
но-генераторными диодами (ЛГД) [16].
Несмотря на то, что ЛПД и ЛГД основа-
ны на обратносмещенных резких p–n-переходах,
функциональные возможности этих диодов сущест-
венно различаются:
– ЛПД не является генератором, он генериру-
ет только при помещении его в колебательный
контур. Частота и амплитуда колебаний генера-
тора на основе ЛПД определяются параметрами
диода и колебательного контура;
– ЛГД является автоколебательной системой,
частота и амплитуда колебаний определяются па-
раметрами диода.
Целью работы является теоретический
анализ динамических процессов в ЛГД на основе
резких Si и GaAs p–n-переходов, изучение эффек-
та двойного расщепления слоя умножения и ис-
следование генерации регулярных и хаотических
колебаний в широком диапазоне изменения кон-
К. А. Лукин, П. П. Максимов / Эффект двойного расщепления…
________________________________________________________________________________________________________________
60
центрации акцепторов Na, доноров Nd и напряже-
ния обратного смещения U [10].
Теоретический анализ основан на реше-
нии уравнений в частных производных диффузи-
онно-дрейфовой модели (ДДМ) [1], которая адек-
ватно описывает динамику процессов в ЛГД при
высоком постоянном напряжении обратного
смещения на резких p–n-переходах. Решения
уравнений ДДМ проводилось численными мето-
дами с использованием модифицированного ме-
тода встречных прогонок [11], метода расчета полу-
проводниковых структур с резкими p–n-пере-
ходами [12], разностного метода расчета лавин-
ных p–n-переходов в режиме автогенерации [13]
и схемы бегущего счета [17]. Достоверность ре-
зультатов решения уравнений ДДМ ЛГД под-
тверждена тестовыми задачами и сравнением с
известными результатами [14].
1. Эффект двойного расщепления слоя
умножения Si ЛГД. В работе [2] приведены ре-
зультаты исследования расщепления зоны лавин-
ного пробоя в униполярном ЛПД с переменным
напряжением обратного смещения. В данной ра-
боте рассматривается эффект двойного расщеп-
ления слоя умножения в биполярном Si ЛГД с
однородным распределением акцепторной Na и
донорной Nd примесей. В таких p–n-переходах
напряженность электрического поля изменяется
по линейному закону, принимая максимальное
значение на границе раздела p- и n-областей.
На рис. 1 приведены графики зависимос-
ти распределения напряженности электрического
поля E(x), электронной Jn(x) (в n-области) и
дырочной Jp(x) (в p-области) компонент плот-
ности лавинного тока J(x) в обедненной области
Si p–n-перехода в 8-ми моментах времени одного
периода колебаний ЛГД с параметрами
U/Uav = 1,75; Na = 9⋅1016см–3; Nd = 5⋅1016см–3
(U/Uav – безразмерное напряжение; Uav – напря-
жение ударной ионизации).
Область p–n-перехода, в которой проис-
ходит ударная ионизация атомов подвижными
носителями, называется слоем умножения. В крем-
ниевых p–n-переходах ударная ионизация проис-
ходит при напряженности электрического поля
Еav = (2…5) ⋅105 В/см [1]. На рис. 1 показано, что
в обеих p- и n-областях p–n-перехода на переднем
фронте движущихся сгустков электронов и дырок
напряженность электрического поля максималь-
на, а на заднем фронте − минимальна. Этот ре-
зультат согласуется с теоремой Гаусса, в соот-
ветствии с которой перед движущимся электрон-
ным слоем поле увеличивается, а за ним умень-
шается по сравнению с полем, которое было до
появления электронов [3–4]. Такое распределение
напряженности электрического поля, а именно
формирование дополнительных максимумов в p-
и n-областях, превышающих уровень Eav, вызыва-
ет эффект двойного расщепления слоя умноже-
ния, то есть появление помимо основного слоя
умножения двух дополнительных. Кроме того,
такое распределение электрического поля обу-
словливает и снижение скорости носителей заря-
да в областях с минимальной напряженностью, не
превышающей уровень Еcr (рис. 1).
Рис. 1. Зависимость напряженности электрического поля E(x),
электронной Jn(x) и дырочной Jp(x) компонент плотности ла-
винного тока J(x) в обедненной области Si p–n-перехода
в 8-ми моментах времени одного периода колебаний ЛГД
Сгустки носителей заряда смещаются в
сторону контактов, оставляя за собой большое
количество электронов и дырок. В областях,
заполненных этими носителями, напряженность
электрического поля существенно понижается.
Это состояние принято называть компенсирован-
ной полупроводниковой плазмой, а режим
работы диода – режимом с захваченной плазмой
(TRAPATT-режим [2]).
Критическое значение поля Еcr, при кото-
ром для электронов наступает насыщение скорос-
ти, равно 20 кВ/см, а для дырок – 50 кВ/см [1].
Согласно графикам 6–8 на рис. 1, напряженность
электрического поля может быть значительно
ниже Еcr для электронов и дырок, и даже отрица-
тельна. Поэтому ЛГД в режиме TRAPATT имеет
пониженную частоту за счет увеличения времени
пролета носителей на участках областей p–n-
перехода с низкой напряженностью электриче-
ского поля.
Таким образом, известный режим
TRAPATT диода Рида реализуется в ЛПД при вы-
сокой напряженности электрического поля.
600
500
400
300
200
100
0
120
100
80
60
40
20
0
–0,50 –0,25 0 0,25 0,50 0,75 1
x, мкм
E
(x
),
кВ
/с
м
(x< 0) (x > 0)
J (
x)
, к
А
/с
м2
К. А. Лукин, П. П. Максимов / Эффект двойного расщепления…
________________________________________________________________________________________________________________
61
2. Синхронные двухчастотные авто-
колебания лавинного тока Si ЛПД. На рис. 2 при-
веден спектр автоколебаний электронной Jn( f )
(рис. 2, а) и дырочной Jp( f ) (рис. 2, б) компонент
плотности лавинного тока J( f ) Si p–n-перехода,
полученный методом дискретного преобразова-
ния Фурье временной функции J(t) (U/Uav = 2,3;
Na = 1,5⋅1017см–3; Nd = 2⋅1015см–3).
а)
б)
Рис. 2. Дискретный фурье-спектр спектр синхронных автоко-
лебаний электронной Jn( f ) (а) и дырочной Jp( f ) (б) компонент
плотности лавинного тока J( f ) Si ЛГД
Основная частота автоколебаний элект-
ронной компоненты плотности лавинного тока
(спектральная линия 1, рис. 2, а) равна f1 = 6,8 ГГц.
Частота высших гармоник равна соответственно
n f1 (n = 2…7). Амплитуда 1-й гармоники равна
J1( f1) = 133 кA/см2, 2-й – J2( f2) = 112 кA/см2.
Плотность постоянного тока (спектральная линия 0)
равна Jn(0) = 140 кA/см2.
Основная частота автоколебаний дыроч-
ной компоненты плотности лавинного тока (спект-
ральная линия 1, рис. 2, б) равна f1 = 326 ГГц.
Частота 2-й гармоники равна 2 f1. Амплитуда
1-й гармоники равна J1( f1) = 18 A/см2, 2-й –
J2( f2) = 8 А/см2. Плотность постоянного тока
(спектральная линия 0) равна Jp(0) = 19,8 кA/см2.
Плотность полного пускового тока равна сумме
J(0) = Jn(0) + Jp(0) = 159,8 кA/см2.
Таким образом, в Si p–n-переходе на час-
тотах 6,8 и 326 ГГц синхронно возбуждаются два
автоколебания электронной и дырочной компо-
нент плотности лавинного тока соответственно в
n- и p-областях. Лавинно-генераторный диод на
основе резких Si p–n-переходов является источ-
ником электромагнитных колебаний, в котором
преобразование энергии источника питания, воз-
буждение и поддержание колебаний наблюдают-
ся в обеих p- и n-областях p–n-переходов.
Как известно [1–4], в ЛПД преобразова-
ние энергии источника питания происходит в ба-
зовой области p–n-перехода, а возбуждение и
поддержание колебаний обеспечиваются пассив-
ными цепями генератора.
3. Регулярные колебания Si ЛГД. Ис-
следуем потребляемую и выходную мощности и
электронный КПД Si ЛГД, ударная ионизация в
котором обусловлена током тепловой генерации [1].
На рис. 3 приведен спектр автоколебаний
электронной Pn( f ) (сплошные линии) и дырочной
Pp( f ) (пунктирные линии) компонент выходной
мощности P( f ) ЛГД на основе резкого Si p–n-пере-
хода (U/Uav = 1,18; Na = 3,4⋅1017см–3; Nd = 2,6⋅1017см–3).
Число временных отсчетов в обеих областях рав-
но N = 145 000. В n-области частота дискретиза-
ции fd = 81 ТГц, шаг частоты дискретизации (раз-
решающая способность определения частоты с
помощью дискретного преобразования Фурье)
fsd = 559 МГц, шаг интегрирования τn = 12,3 фс.
В p-области fd = 52,8 ТГц, fsd = 1 634 МГц,
τp = 18,9 фс. Различие в величинах частоты дис-
кретизации и шага частоты дискретизации обу-
словлено различием дрейфовых скоростей элект-
ронов и дырок и размерами p- и n-областей рез-
кого p–n-перехода.
Рис. 3. Дискретный фурье-спектр спектр синхронных автоколе-
баний электронной Pn( f ) и дырочной Pp( f ) компонент выход-
ной мощности P( f ) Si ЛГД
В n-области основная частота автоколе-
баний электронной компоненты плотности вы-
ходной мощности равна f1 = 304 ГГц. Частоты
высших гармоник равны соответственно
n f1 (n = 2…4). Выходная мощность гармоник (при
площади p–n-переходов S = 2⋅10−4см2 [18]) равна
P1( f1) = 89,6 Вт, P2( f2) = 8,8 Вт, P3( f3) = 1,4 Вт [1].
Si
Pp Pn
1
2
1
2 33
P
( f
),
В
т
200 400 600 f, ГГц
80
60
40
20
0
140
120
100
80
60
40
20
0
J n
( f
),
к
А
/с
м2
0 3 6 9 12 15 f, ГГц
Si
2
1
0
0 200 400 600 f, ГГц
J p
( f
),
к
А
/с
м2
0,03
0,025
0,02
0,015
0,01
0,005
0
Si
2
1
0
К. А. Лукин, П. П. Максимов / Эффект двойного расщепления…
________________________________________________________________________________________________________________
62
Электронный КПД гармоник равен ηe1 = 19 %,
ηe2 = 1,8 %, ηe3 = 0,3 %.
В p-области Si p–n-перехода основная час-
тота автоколебаний дырочной компоненты плот-
ности выходной мощности равна f1 = 198 ГГц.
Частота 2-й гармоники – 396 ГГц. Выходная мощ-
ность 1-й гармоники равна P1( f1) = 53,9 Вт,
2-й гармоники – P2( f2) = 5,5 Вт. Электронный
КПД гармоник равен ηe1 = 11,4 %, ηe2 = 1,1 %.
Спектр дырочной компоненты Pp( fp) определяет-
ся спектром электронной компоненты Pn( fn) со-
отношением fp = fn τn /τp.
Таким образом, приведенные энергети-
ческие и спектральные характеристики Si ЛГД
существенно превышают характеристики Si ЛПД
в IMPATT-режиме [1–3].
4. Регулярные колебания GaAs ЛГД.
Рассмотрим спектральные и энергетические ха-
рактеристики GaAs ЛГД, параметры которого
равны U/Uav = 1,15; Na = 2⋅1017см–3; Nd = 4⋅1017см–3.
На рис. 4 приведен спектр выходной мощности
P( f ) в p- и n-областях резкого GaAs p–n-пере-
хода, на котором сплошные линии 1–3 описыва-
ют основную и высшие гармоники электронной
компоненты мощности Pn, а пунктирные линии 1–3
определяют основную и высшие гармоники ды-
рочной компоненты мощности Pp. Шаг интегри-
рования уравнений ДДМ в p-области равен
τ = 32 фс, а в n-области – τ = 8 фс. Число времен-
ных отсчетов в обеих областях равно N = 145 000.
Для p-области частота дискретизации и шаг
частоты дискретизации равны соответственно
fd = 31 ТГц и fsd = 214 МГц, а для n-области –
fd = 124 ТГц и fsd = 858 МГц.
Рис. 4. Дискретный фурье-спектр спектр автоколебаний элект-
ронной Pn( f ) и дырочной Pp( f ) компонент выходной мощ-
ности P( f ) GaAs ЛГД
В n-области частота автоколебаний Pn
лежит в ТГЦ-диапазоне. Первая гармоника имеет
частоту 445 ГГц, вторая – 890 ГГц. Амплитуда
этих гармоник равна соответственно 52,6 и 9,2 Вт,
а электронный КПД – 9,5 и 1,7 %.
В p-области частота автоколебаний ле-
жит в микроволновом диапазоне. Первая гармо-
ника (пунктирная кривая 1 на рис. 4) имеет часто-
ту 111 ГГц. Частоты высших гармоник равны
n f1 (n = 2, 3). Дырочная компонента выходной
мощности трех гармоник равна соответственно
112,0; 22,8 и 3,2 Вт, а электронный КПД этих
гармоник – 20,0; 4,0 и 0,6 %.
Таким образом, в высоколегированных
резких Si и GaAs ЛГД синхронно генерируются
регулярные двухчастотные автоколебания в микро-
волновом и ТГц-диапазонах.
5. Зависимость выходной мощности от
частоты. Рассмотрим зависимость спектральных
характеристик выходного сигнала ЛГД на основе
Si и GaAs p–n-переходов от концентрации приме-
сей и напряжения обратного смещения. Парамет-
ры шести вариантов ЛГД приведены в табл. 1 и 2
(Na – концентрация акцепторов; Nd – концентра-
ция доноров; Upn – напряжение возбуждения авто-
колебаний в p–n-переходе; Up и Un – соответст-
венно в p- и n-областях).
Таблица 1
Параметры Si ЛГД
Вариант
ЛГД
Na⋅10–17,
cм–3
Nd⋅10–17,
cм–3
–Upn,
В
–Up,
В
–Un,
В
1 4,2 1,8 18,4 4,25 14,2
2 3,8 2,2 16,3 4,4 11,9
3 3,4 2,6 15,8 4,8 11,0
4 2,8 3,2 16,2 5,6 10,6
5 2,4 3,6 16,8 6,3 10,5
6 2,0 4,0 18,3 7,3 11,0
Таблица 2
Параметры GaAs ЛГД
Вариант
ЛГД
Na⋅10–17,
cм–3
Nd⋅10–17,
cм–3
–Upn,
В
–Up,
В
–Un,
В
1 2,0 4,0 21,8 8,7 13,1
2 2,4 3,6 20,8 7,8 13,0
3 2,8 3,2 20,5 7,17 13,4
4 3,2 2,8 20,4 6,5 13,9
5 3,6 2,4 21,7 6,2 15,5
6 4,0 2,0 24,0 6,0 18,0
На рис. 5 приведены зависимости от час-
тоты основной гармоники электронной Pn( fn) и
дырочной Pp( fp) компонент выходной мощности
P( f ) Si ЛГД, концентрация доноров которых из-
менялась в диапазоне (1,8…4,0)⋅1017см–3, а акцеп-
торов – (4,2…2,0)⋅1017см–3. Видно, что элект-
ронная и дырочная компоненты выходной мощ-
ности обратно пропорциональны частоте. Такая
зависимость выходной мощности от частоты ха-
рактерна для Si ЛПД [1–3].
На рис. 6 приведены зависимости от час-
тоты основной гармоники электронной Pn( f ) и
дырочной Pp( f ) компонент выходной мощнос-
ти P( f ) для шести вариантов ЛГД на основе рез-
ких GaAs p–n-переходов. В микроволновом диа-
пазоне выходная мощность P( f ) = Pp(fp) + Pn(fn)
P
( f
),
В
т
200 400 600 f, ГГц
100
80
60
40
20
0
GaAs
Pp Pn
1
2
3
1
2
К. А. Лукин, П. П. Максимов / Эффект двойного расщепления…
________________________________________________________________________________________________________________
63
измеряется десятками ватт. Видно, что выходная
мощность GaAs ЛГД, как и в случае Si ЛГД, об-
ратно пропорциональна частоте.
Рис. 5. Дискретный фурье-спектр колебаний электронной Pn( f )
и дырочной Pp( f ) компонент выходной мощности P( f ) Si ЛГД
с различными профилями легирования p–n-переходов
Рис. 6. Дискретный фурье-спектр спектр колебаний электрон-
ной Pn( f ) и дырочной Pp( f ) компонент выходной мощ-
ности P( f ) GaAs ЛГД с различными профилями легирования
p–n-переходов
Высокие уровни мощности Si и GaAs
ЛГД обусловлены высоким напряжением на дио-
де и большим лавинным током и наблюдаются
экспериментально в ЛПД в аномальном режиме и
в режиме с захваченной плазмой [2].
Таким образом, выходная мощность и час-
тота Si и GaAs ЛГД определяются концентрацией
примесей и напряжением обратного смещения.
С увеличением потребляемой мощности увеличи-
вается вероятность перегрева ЛГД. В работе [18]
показано, что граничная температура кремниево-
го ЛПД 8-миллиметрового диапазона равна
350 °C, выше которой он интенсивно деградирует.
Долговременная работа мощных ЛГД обеспечива-
ется в импульсном режиме, параметры которого
определяются исходя из граничной температуры.
6. Хаотические колебания Si ЛГД.
В настоящее время успешно развивается шумовая
радиолокация, для которой актуальной задачей
является разработка генераторов непрерывных и
импульсных хаотических сигналов [19, 20].
Источником хаотических сигналов с заданными
параметрами могут быть ЛГД на основе резких
p–n-переходов. В ЛГД входной сигнал модулиру-
ет напряжение на слое умножения p–n-перехода,
управляя тем самым генерацией электронно-
дырочных пар и формируя выходной сигнал с
требуемыми характеристиками [6].
Входной хаотический сигнал с заданной
несущей частотой получен из хаотического
сигнала со сплошным спектром с помощью
нормального распределения Гаусса
,
2
)(exp
2
1
2
2
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡ −
σ
μ
πσ
x где σ = 1 – коэффициент
масштаба, μ = 18,5– коэффициент сдвига (задает
частоту входного сигнала).
На рис. 7 представлен спектр хаотическо-
го входного сигнала и спектр хаотических авто-
колебаний электронной Pn( f ) и дырочной Pp( f )
компонент выходной мощности P( f ) ЛГД на ос-
нове резкого Si p–n-перехода с концентрацией
примесей Na = 1017 см–3 и Nd = 2⋅1017 см–3 и напря-
жением обратного смещения U/Uav = 0,93. В p-
области частота дискретизации fd = 17,6 ТГц, шаг
частоты дискретизации fsd = 121 МГц, шаг интег-
рирования τp = 56,7 фс. В n-области эти величины
имеют следующие значения: fd = 83,9 ТГц,
fsd = 578 МГц, τn = 11,9 фс.
На рис. 7, а приведен дискретный фурье-
спектр входного сигнала и спектр электронной
компоненты выходной мощности Si ЛГД. Спект-
ральная зона 1 – спектр входного хаотического
сигнала, основная гармоника которого имеет час-
тоту 18,5 ГГц и амплитуду 23 Вт. Спектральные
зоны 2, 3 – спектры первой и второй гармоник авто-
колебаний ЛГД. Видно, что электронная Pn( f )
компонента мощности в спектральной зоне 2
имеет ряд пиковых значений Pn( f ), частотный
интервал между которыми определяется частотой
основной гармоники входного сигнала. Макси-
мальное значение электронной компоненты вы-
ходной мощности равно 16,74 Вт на частоте
374,5 ГГц.
На рис. 7, б приведен дискретный фурье-
спектр входного сигнала и спектр дырочной ком-
поненты выходной мощности Si ЛГД. Видно, что
спектр входного сигнала и спектр автоколебаний
Pp( f ) смещен в низкочастотную область относи-
тельно спектра Pn( f ) в соответствии с выражени-
ем fp = fn τn /τp [3]. Коэффициент смещения равен
k = τn /τp = 0,21. Смещение спектра обусловлено
различным временем дрейфа дырок в p-области и
электронов в n-области. Основная гармоника
входного сигнала имеет частоту 3,9 ГГц и ампли-
туду 32 Вт (спектральная линия 1). Спектральные
зоны 2 и 3 имеют ряд пиковых значений Pp( f ),
частотный интервал между которыми определя-
ется частотой входного сигнала. Максимальное
P
( f
),
В
т
150 200 250 300 350 400 f, ГГц
120
100
80
60
40
Pp
Pn
1
2
1
2
3
4
5
6
3
4
5
6
Si
150 200 250 300 350 f, ГГц
100
80
60
40
Pp
Pn
1
2
2
P
( f
),
В
т 3
4 56
1
3
4
5
6 GaAs
К. А. Лукин, П. П. Максимов / Эффект двойного расщепления…
________________________________________________________________________________________________________________
64
значение Pp( f ) достигается на частоте 78,6 ГГц и
равно 61,4 Вт.
Таким образом, в режиме хаотических
колебаний Si ЛГД спектр выходной мощности
автоколебаний содержит основную и высшие
гармоники в виде спектральных зон со сплошны-
ми спектрами.
а)
б)
Рис. 7. Дискретный фурье-спектр хаотических колебаний
электронной Pn( f ) (а) и дырочной Pp( f ) (б) компонент выход-
ной мощности Si ЛГД
Выводы. Исследованы динамические
процессы, протекающие в ЛГД на основе обратно-
смещенных резких p–n-переходов в широком
диапазоне значений концентрации примесных
атомов и напряжения обратного смещения на
диодах. Установлено, что в Si ЛГД при высоком
напряжении обратного смещения U/Uav = 1,75 на-
блюдается эффект двойного расщепления слоя
умножения в обеих p- и n-областях p–n-перехода,
при котором реализуется известный режим с
захваченной плазмой (TRAPATT-режим).
Показано, что ЛГД имеет режим син-
хронных двухчастотных автоколебаний. Спектр
выходной мощности P( f ) ЛГД состоит из спект-
ров электронной Pn( f ) и дырочной Pp( f ) компо-
нент, сформированных соответственно в p- и
n-областях p–n-перехода. Спектр автоколебаний
Pp( f ) смещен в низкочастотную область относи-
тельно спектра Pn( f ) в соответствии с выраже-
нием fp = fn τn /τp. ЛГД являются мощными источ-
никами электромагнитных колебаний.
Таким образом, биполярные ЛГД на
основе обратносмещенных резких Si и GaAs
p–n-переходов являются мощными диодными ге-
нераторами, характеристики которых определя-
ются концентрацией примесных атомов и напря-
жением обратного смещения.
Результаты исследований являются тео-
ретической основой для разработки и создания
мощных диодных генераторов микроволнового и
ТГц-диапазонов.
Библиографический список
1. Тагер А. С. Лавинно-пролетные диоды и их применение в
технике СВЧ / А. С. Тагер, В. М. Вальд-Перлов. – М.: Сов.
радио, 1968. – 480 с.
2. Кэррол Дж. СВЧ-генераторы на горячих электронах /
Дж. Кэррол; пер. с англ. под ред. Б. Л. Гельмонта. – М.:
Мир, 1972. – 384 с.
3. Касаткин Л. В. Полупроводниковые устройства диапазо-
на миллиметровых волн / Л. В. Касаткин, В. Е. Чайка. –
Севастополь: Вебер. – 2006. – 319 с.
4. Федоров Н. Д. Электронные приборы СВЧ и квантовые
приборы / Н. Д. Федоров. – М.: Атомиздат, 1979. – Гл. 10. –
С. 127, 135, 137, 138.
5. Internal Amplification of Current Pulses inside a Reverse Biased
pn–i–pn-structure / K. A. Lukin, H. A. Cerdeira, A. A. Cola-
vita, P. P. Maksymov // Int. J. Modeling and Simulation. –
2003. – 23, N 2. – P. 77–84.
6. Lukin K. A. Self-oscillations in reverse biased p–n-junction
with current injection / K. A. Lukin, H. A. Cerdeira, P. P. Maksy-
mov // Appl. Phys. Lett. – 2003. – 83, N 20. – P. 4643–4645.
7. Лукин К. А. Режим автоколебаний в резких p–n-переходах
с постоянным обратным смещением / К. А. Лукин,
П. П. Максимов // Радиофизика и электрон.: сб. науч. тр. /
Ин-т радиофизики и электрон. НАН Украины. – Х., 2008. –
13, № 2. – С. 232–238.
8. Lukin K. A. Current Oscillations in Avalanche Particle Detectors
with pn–i–pn-Structure / K. A. Lukin, H. A. Cerdeira,
A. A. Colavita // IEEE Transactions on Electron Devices. –
1996. – 43, N 3. – P. 473–478.
9. Lukin K. A. Chaotic instability of currents in a reverse based
multilayered structure / K. A Lukin, H. A. Cerdeira,
A. A. Colavita // Appl. Phys. Lett. – 1997. – 71, N 17. –
P. 2484–2486.
10. Лукин К. А. Статические электрические поля в обратно-
смещенных pn–i–pn-структурах / К. А. Лукин, П. П. Мак-
симов // Радиофизика и электрон.: сб. науч. тр. / Ин-т радио-
физики и электрон. НАН Украины. − Х., 2002. – 7, № 2. –
C. 317–322.
11. Лукин К. А. Модифицированный метод встречных прого-
нок / К. А. Лукин, П. П. Максимов // Радиофизика и
электрон.: сб. науч. тр. / Ин-т радиофизики и электрон.
НАН Украины. − Х., 1999. – 4, № 1. – C. 83–86.
12. Лукин К. А. Метод расчета полупроводниковых структур с
резкими p–n-переходами / К. А. Лукин, П. П. Максимов //
Там же. – C. 87–92.
13. Лукин К. А. Метод расчета лавинных p–n-переходов в ре-
жиме автогенерации / К. А. Лукин, П. П. Максимов //
Радиофизика и электрон.: сб. науч. тр. / Ин-т радиофизики
и электрон. НАН Украины. − Х., 2005. – 10, № 1. –
С. 109–115.
14. Максимов П. П. Алгоритм решения уравнений диффузи-
онно-дрейфовой модели полупроводниковых структур с
лавинными p–n-переходами / П. П. Максимов // Радио-
P
p(
f
),
В
т
25 50 75 100 125 f, ГГц
60
50
40
30
20
10
0
Si
2
1
3
P n
(
f )
, В
т
0 200 400 600 f, ГГц
80
60
40
20
0
Si
2
1
3
К. А. Лукин, П. П. Максимов / Эффект двойного расщепления…
________________________________________________________________________________________________________________
65
физика и электрон.: сб. науч. тр. / Ин-т радиофизики и
электрон. НАН Украины. − Х., 2008. – 13, № 3. – C. 523–528.
15. Лукин К. А. Терагерцовые автоколебания в инжекционном
p–n-переходе с постоянным обратным смещением /
К. А. Лукин, П. П. Максимов // Изв. вузов. Радиоэлектрон. –
2010. – 53, № 8. – С. 16–21.
16. Лукин К. А. Когерентное сложение мощности в лавинно-
генераторных диодах / К. А. Лукин, П. П. Максимов //
Радиофизика и электрон. – 2012. – 3(17), № 4 – С. 70–75.
17. Самарский А. А. Разностные методы решения задач газо-
вой динамики / А. А. Самарский, Ю. П. Попов. – М.: Нау-
ка, 1980. – 352 с.
18. Мощные кремневые импульсные лавинно-пролетные
диоды 8-мм диапазона / В. В. Басанец, Н. С. Болтовец,
А. В. Зоренко и др. // Техника и приборы СВЧ. – 2009. –
№ 1. – С. 27–30.
19. Лукин К. А. Шумовая радарная технология / К. А. Лукин //
Радиофизика и электрон.: сб. науч. тр. / Ин-т радиофизики
и электрон. НАН Украины. − Х., 2008. – 13, спец. вып. −
С. 344–358.
20. Мясин Е. А. Генерация хаотических колебаний в авто-
генераторе на лавинно-пролетном диоде / Е. А. Мясин //
Письма в журн. техн. физики. – 2012. – 38, вып. 2. – С. 87–94.
Рукопись поступила 07.04.2016.
K. A. Lukin, P. P. Maksymov
DOUBLE SPLITTING OF MULTIPLICATION
LAYER IN AVALANCHE GENERATING
DIODES AND GENERATION OF TWO-
FREQUENCY SELF-OSCILLATIONS
Design of sources of powerful electromagnetic oscilla-
tions in microwave and THz frequency bands is a challenge for
radio-electronic engineers. Design of avalanche-generating diodes
that generate two phase locked oscillations in microwave and THz
ranges is considered in the paper. Summation of two generating
oscillations with either close or different frequencies allows mana-
ging power and spectral characteristics of the output signal. The
physical processes occurring in the avalanche-generating diodes on
the basis of abrupt Si and GaAs p–n-junctions at the constant re-
verse biased voltage are investigated. The effect of the double
splitting of the multiplication layer has been revealed. In the sug-
gested avalanche-generating diodes, regular and chaotic self-
oscillations of electrons and holes components of the output power
are excited in p- and n-regions of the p–n-junction, respectively.
Key words: avalanche-generating diode, double split-
ting of multiplication layer, Power spectral density, electronic ef-
ficiency, TRAPATT-regime.
К. О. Лукін, П. П. Максимов
ЕФЕКТ ПОДВІЙНОГО РОЗЩЕПЛЕННЯ
ШАРУ МНОЖЕННЯ У ЛАВИННО-
ГЕНЕРАТОРНИХ ДІОДАХ І ГЕНЕРАЦІЯ
ДВОЧАСТОТНИХ АВТОКОЛИВАНЬ
Актуальним завданням напівпровідникової елект-
роніки є створення потужних джерел електромагнітних коли-
вань мікрохвильового і терагерцового діапазонів. У роботі ро-
зглянуто завдання розробки лавинно-генераторних діодів, які
синхронно генерують два автоколивання мікрохвильового і
терагерцового діапазонів. Підсумовування двох коливань з
близькими або з різними частотами дозволяє керувати енерге-
тичними і спектральними характеристиками вихідного сигна-
лу. Досліджено фізичні процеси, що відбуваються в лавинно-
генераторних діодах на основі різких Si і GaAs p–n-переходів
при високій постійній напрузі зворотного зміщення. Виявлено
ефект подвійного розщеплення шару множення. Показано, що
в запропонованих раніше авторами лавинно-генераторних
діодах синхронно збуджуються і підтримуються регулярні і
хаотичні автоколивання електронної і діркової компонент ви-
хідної потужності відповідно в p- і n-областях p–n-переходу.
Ключові слова: лавинно-генераторний діод, по-
двійне розщеплення шару множення, спектр вихідної потуж-
ності, електронний коефіцієнт корисної дії, режим із захоп-
леною плазмою.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-106302 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1028-821X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:19:20Z |
| publishDate | 2016 |
| publisher | Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Лукин, К.А. Максимов, П.П. 2016-09-23T19:41:31Z 2016-09-23T19:41:31Z 2016 Эффект двойного расщепления слоя умножения в лавинно-генераторных диодах и генерация двухчастотных автоколебаний / К.А. Лукин, П.П. Максимов // Радіофізика та електроніка. — 2016. — Т. 7(21), № 2. — С. 59-65. — Бібліогр.: 20 назв. — рос. 1028-821X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/106302 621.382.029 В работе рассматривается задача разработки лавинно-генераторных диодов, синхронно генерирующих два автоколебания микроволнового и терагерцевого диапазонов. Суммирование двух колебаний с близкими или с разными частотами позволяет управлять энергетическими и спектральными характеристиками выходного сигнала. Исследованы физические процессы, протекающие в лавинно-генераторных диодах на основе резких Si и GaAs p–n-переходов при высоком постоянном напряжении обратного смещения. Обнаружен эффект двойного расщепления слоя умножения. Показано, что в предложенных авторами лавинно-генераторных диодах синхронно возбуждаются и поддерживаются регулярные и хаотические автоколебания электронной и дырочной компонент выходной мощности соответственно в p- и n-областях p–n-перехода. У роботі розглянуто завдання розробки лавинно-генераторних діодів, які синхронно генерують два автоколивання мікрохвильового і терагерцового діапазонів. Підсумовування двох коливань з близькими або з різними частотами дозволяє керувати енергетичними і спектральними характеристиками вихідного сигналу. Досліджено фізичні процеси, що відбуваються в лавинно-генераторних діодах на основі різких Si і GaAs p–n-переходів при високій постійній напрузі зворотного зміщення. Виявлено ефект подвійного розщеплення шару множення. Показано, що в запропонованих раніше авторами лавинно-генераторних діодах синхронно збуджуються і підтримуються регулярні і хаотичні автоколивання електронної і діркової компонент вихідної потужності відповідно в p- і n-областях p–n-переход Design of avalanche-generating diodes that generate two phase locked oscillations in microwave and THz ranges is considered in the paper. Summation of two generating oscillations with either close or different frequencies allows managing power and spectral characteristics of the output signal. The physical processes occurring in the avalanche-generating diodes on the basis of abrupt Si and GaAs p–n-junctions at the constant reverse biased voltage are investigated. The effect of the double splitting of the multiplication layer has been revealed. In the suggested avalanche-generating diodes, regular and chaotic selfoscillations of electrons and holes components of the output power are excited in p- and n-regions of the p–n-junction, respectively. ru Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України Радіофізика та електроніка Вакуумная и твердотельная электроника Эффект двойного расщепления слоя умножения в лавинно-генераторных диодах и генерация двухчастотных автоколебаний Ефект подвійного розщеплення шару множення у лавинно-генераторних діодах і генерація двочастотних автоколивань Double splitting of multiplication layer in avalanche generating diodes and generation of twofrequency self-oscillations Article published earlier |
| spellingShingle | Эффект двойного расщепления слоя умножения в лавинно-генераторных диодах и генерация двухчастотных автоколебаний Лукин, К.А. Максимов, П.П. Вакуумная и твердотельная электроника |
| title | Эффект двойного расщепления слоя умножения в лавинно-генераторных диодах и генерация двухчастотных автоколебаний |
| title_alt | Ефект подвійного розщеплення шару множення у лавинно-генераторних діодах і генерація двочастотних автоколивань Double splitting of multiplication layer in avalanche generating diodes and generation of twofrequency self-oscillations |
| title_full | Эффект двойного расщепления слоя умножения в лавинно-генераторных диодах и генерация двухчастотных автоколебаний |
| title_fullStr | Эффект двойного расщепления слоя умножения в лавинно-генераторных диодах и генерация двухчастотных автоколебаний |
| title_full_unstemmed | Эффект двойного расщепления слоя умножения в лавинно-генераторных диодах и генерация двухчастотных автоколебаний |
| title_short | Эффект двойного расщепления слоя умножения в лавинно-генераторных диодах и генерация двухчастотных автоколебаний |
| title_sort | эффект двойного расщепления слоя умножения в лавинно-генераторных диодах и генерация двухчастотных автоколебаний |
| topic | Вакуумная и твердотельная электроника |
| topic_facet | Вакуумная и твердотельная электроника |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/106302 |
| work_keys_str_mv | AT lukinka éffektdvoinogorasŝepleniâsloâumnoženiâvlavinnogeneratornyhdiodahigeneraciâdvuhčastotnyhavtokolebanii AT maksimovpp éffektdvoinogorasŝepleniâsloâumnoženiâvlavinnogeneratornyhdiodahigeneraciâdvuhčastotnyhavtokolebanii AT lukinka efektpodvíinogorozŝeplennâšarumnožennâulavinnogeneratornihdíodahígeneracíâdvočastotnihavtokolivanʹ AT maksimovpp efektpodvíinogorozŝeplennâšarumnožennâulavinnogeneratornihdíodahígeneracíâdvočastotnihavtokolivanʹ AT lukinka doublesplittingofmultiplicationlayerinavalanchegeneratingdiodesandgenerationoftwofrequencyselfoscillations AT maksimovpp doublesplittingofmultiplicationlayerinavalanchegeneratingdiodesandgenerationoftwofrequencyselfoscillations |