Лавинно-пролётный диод. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Лавинно-пролётный диод - полупроводниковый диод, обладающий отрицательным дифференциальным сопротивлением в СВЧ-диапазоне вследствие развития т. н. лавинно-пролётной неустойчивости. Последняя обусловлена ударной ионизацией и дрейфом носителей заряда в р-n-переходе в режиме обратного смещения (см. р-п-переход). Идея, лежащая в основе работы Л--п. д., сформулирована в 1958 У. Т. Ридом (W. Т. Read). Генерация на Л--п. д. впервые наблюдалась в СССР в 1959 А. С. Тагером с сотрудниками [1]. Физ. принцип работы Л--п. д. можно пояснить на примере диода Рида (рис. 1). Диод состоит из сильно легированного р⁺ -эмиттера и неоднородно легированной n-базы (рис. 1, а). Узкий слой n-базы вблизи р-п-перехода легирован сильно (n⁺-слой), остальная часть базы легирована слабо (n^--слой). Распределение поля в такой структуре для обратного напряжения (U₀, большего, чем напряжение пробоя U_i, показано на рис. 1 (б). При этом напряжённость поля в области р-n-перехода превышает поле ударной ионизации E_i и вблизи р-n-перехода генерируются электроннодырочные пары (область умножения). Дырки быстро пролетают к электроду сквозь узкий сильно легированный эмиттер, не оказывая существенного влияния на работу прибора. Электроны, покинув область умножения, пролетают затем протяжённую слабо легированную п^--область (область дрейфа).

В области умножения и в области дрейфа электроны движутся с одной и той же, не зависящей от напряжённости поля дрейфовой скоростью - скоростью насыщения

[2]. Значение поля E_s, при к-ром дрейфовая скорость электронов насыщается, составляет для электронов в Si и GaAs величину

10⁴ В/см, значительно меньшую значения поля в области умножения Е_i

(3-5) 10⁵ В/см. Характерное значение

10⁷ см/с.

Пусть помимо пост. напряжения U₀ к диоду приложено перем. напряжение U частотой

(рис. 2, а). С ростом напряжения U происходит резкое увеличение концентрации носителей в области умножения вследствие экспоненциального характера зависимости коэф. ударной ионизации от поля [2]. Однако т. к. скорость роста концентрации электронов

пропорц. уже имеющейся в области умножения концентрации п, момент, когда п достигает максимума, запаздывает по отношению к моменту, когда максимума достигает напряжение на диоде (рис. 2, б). В условиях, когда v_sне зависит от поля, ток проводимости в области умножения I_с пропорц. концентрации п:

S(e - заряд электрона, S - площадь диода). Поэтому кривая на рис. 2 (б) представляет собой также и зависимость тока I_С в области умножения от времени.

Когда напряжение на диоде спадает и концентрация носителей в области умножения резко уменьшается, ток на электродах прибора I (полный ток) остаётся постоянным (рис. 2, в). Сформировавшийся в области умножения сгусток электронов движется через область дрейфа с пост. скоростью

. Пока сгусток электронов не уйдёт в контакт, ток через диод остаётся постоянным (теорема Рамо - Шокли) [3]. Из сравнения рис. 2, а и 2, в видно, что ток, протекающий через Л--п. д., колеблется практически в противофаэе с напряжением, т. е. имеет место отрицат. дифференциальное сопротивление.

Отрицат, дифференциальное сопротивление Л--п. д. является частотно-зависимым. Время пролёта носителей через область дрейфа

, где L -длина области дрейфа, практически равная полной длине диода. Сдвиг фаз между током и напряжением

п может быть реализован только на частоте

(и на гармониках). Более точный расчёт устанавливает соотношение между

и L:

Механизм возникновения отрицат. дифференциального сопротивления является малосигнальным: колебания спонтанно нарастают в резонаторе, настроенном на соответствующую частоту

, при подаче на диод достаточно большого пост. смещения.

Наиб. мощные и эффективные Л--п. д., предназначенные для работы в сантиметровом диапазоне и длинноволновой части миллиметрового диапазона длин волн, изготавливаются из GaAs, а для работы на более высоких частотах - из Si. Перспективно использование InP и др. соединений типа А^III B^V , а также гетероструктур и сверхрешёток.

Л--п. д.- наиб. мощный полупроводниковый прибор для генерации и усиления эл--магн. колебаний на частотах до 400 ГГц. Л.- п. д. из GaAs на частоте 6 ГГц в непрерывном режиме обеспечивают выходную мощность Р=15 Вт при

30%; на частоте 40 ГГц Р

2 Вт при

20%. Кремниевые Л--п. д. позволяют получить Р

1 Вт на частоте 100 ГГц и 50 мВт на частоте 200 ГГц и 2 мВт на частоте 440 ГГц.

Литература по лавинно-пролётным диодам

Знаете ли Вы, в чем ложность понятия "физический вакуум"?

Физический вакуум - понятие релятивистской квантовой физики, под ним там понимают низшее (основное) энергетическое состояние квантованного поля, обладающее нулевыми импульсом, моментом импульса и другими квантовыми числами. Физическим вакуумом релятивистские теоретики называют полностью лишённое вещества пространство, заполненное неизмеряемым, а значит, лишь воображаемым полем. Такое состояние по мнению релятивистов не является абсолютной пустотой, но пространством, заполненным некими фантомными (виртуальными) частицами. Релятивистская квантовая теория поля утверждает, что, в согласии с принципом неопределённости Гейзенберга, в физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные, то есть кажущиеся (кому кажущиеся?), частицы: происходят так называемые нулевые колебания полей. Виртуальные частицы физического вакуума, а следовательно, он сам, по определению не имеют системы отсчета, так как в противном случае нарушался бы принцип относительности Эйнштейна, на котором основывается теория относительности (то есть стала бы возможной абсолютная система измерения с отсчетом от частиц физического вакуума, что в свою очередь однозначно опровергло бы принцип относительности, на котором постороена СТО). Таким образом, физический вакуум и его частицы не есть элементы физического мира, но лишь элементы теории относительности, которые существуют не в реальном мире, но лишь в релятивистских формулах, нарушая при этом принцип причинности (возникают и исчезают беспричинно), принцип объективности (виртуальные частицы можно считать в зависимсоти от желания теоретика либо существующими, либо не существующими), принцип фактической измеримости (не наблюдаемы, не имеют своей ИСО).

Когда тот или иной физик использует понятие "физический вакуум", он либо не понимает абсурдности этого термина, либо лукавит, являясь скрытым или явным приверженцем релятивистской идеологии.

Понять абсурдность этого понятия легче всего обратившись к истокам его возникновения. Рождено оно было Полем Дираком в 1930-х, когда стало ясно, что отрицание эфира в чистом виде, как это делал великий математик, но посредственный физик Анри Пуанкаре, уже нельзя. Слишком много фактов противоречит этому.

Для защиты релятивизма Поль Дирак ввел афизическое и алогичное понятие отрицательной энергии, а затем и существование "моря" двух компенсирующих друг друга энергий в вакууме - положительной и отрицательной, а также "моря" компенсирующих друг друга частиц - виртуальных (то есть кажущихся) электронов и позитронов в вакууме.

Однако такая постановка является внутренне противоречивой (виртуальные частицы ненаблюдаемы и их по произволу можно считать в одном случае отсутствующими, а в другом - присутствующими) и противоречащей релятивизму (то есть отрицанию эфира, так как при наличии таких частиц в вакууме релятивизм уже просто невозможен). Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.