Лавино-пролітний діод

Лавино-пролітний діод, що містить багатошарову напівпровідникову структур у із p+- р - n - n+ областями з визначеним розподілом за площиною легуючих елементів, у якій області ртипу і n-типу зазначеної структури створюють асиметричний перехід зі збідненим шаром, а до областей р+ і n+ сформовані омічні контакти, що не випрямляють, з антидифузійними шарами, причому з боку p+ області сформований інтегральний тепловідвід, проміжні та контактні шари до анода і катода, які забезпечують приєднання до контактних виводів, корпус з діелектричного матеріалу у вигляді циліндричної порожнистої втулки, металізованої з торців, у якій симетрично осі розміщена напівпровідникова структура з контактами та тепловідводом, причому нижньою підставкою корпус закріплений на держаку, а до верхнього торця прикріплений контактний вивід з боку n+ та кришка, яка герметизує прилад, який відрізняється тим, що зовнішній діаметр напівпровідникової структури з системою контактів визначений із співвідношення Винахід належить до напівпровідникової НВЧ електроніки і може бути використаний в радіотехнічних пристроях і системах різного призначення. Запропоноване технічне рішення присвячене розробці лавино-пролітних діодів (ЛПД), які широко застосовуються в генераторах і підсилювачах міліметрових довжин хвиль. Найбільш підходящим по потужності джерелом НВЧ енергії в цій частині діапазону є ЛПД із двома дрейфовими областями на основі напівпровідникової структури р +-p-n-n+ [Tomas A. Midford and Robert L. Bernick. «Millimeter-Wave CW d= 1 é ù2 × êR 4 C 4 + R 4 C 4 + 16p 2 W 2 A 2 ( 8Pmax A - 1) ú ë û WC R 1 , де: W - товщина шару збіднення, м; C = we , w - кругова частота, w = 2pf , де f частота, ГГц, проникність e відносна діелектрична напівпровідникового матеріалу, безрозмірна; матеріалу, Ом .м, l - товщина р-n шару, м; g= Gm IDC g = 0,1 константа, , визначена експериментально, IDC - постійний струм (максимальне значення) через прилад, А, G m - негативний опір на фіксованій частоті, Ом; Pmax - максимальна потужність, що віддається до навантаження, Дж. (19) UA узгодженого 81185 де (11) A = gIDC , (13) C2 = r l , де r - питомий опір напівпровідникового R 3 81185 4 IMP ATT Diodes and Oscillators» IEEE Trans структури створюють асиметричний перехід зі Microwave Theory and Tech. Vol. MTT-22, №5, May збідненим шаром, до областей р+ і n+ сформовані 1979 pp.483-492.]. Ефективність приладу із двома омічні контакти, що не випрямляють з антидифузійними шарами, причому з боку р + дрейфовими областями в 1,5¸2 рази перевищує сформований інтегральний тепловідвід, проміжні й ефективність ЛПД із простим p-n переходом. контактні шари до анода й катоду, що Через розходження в коефіцієнтах діркової і забезпечують приєднання до контактуючих електронної іонізації багатошарова структура виконується асиметричної. виводів, корпуса з діелектричного матеріалу у вигляді циліндричної порожньої втулки, Товщини p- i n- типу шарів активної області й металізованої з торців, у якій вісесиметрично рівні концентрацій обрані оптимальними для розміщена напівпровідникова структура з одержання максимальної потужності на фіксованій контактами й тепловідводом, причому нижньою частоті. Рівень легування p- і n - областей підставою корпус закріплений на тримачі, а до становить 3×1016см -3, ширина активної області верхнього торця прикріплений вивід з боку n+ і 1,2¸1,5мкм. Щільність струму через діод 4 2 кришка, яка герметизує прилад, що відрізняється 1,0×10 А/см при температурі переходу 250°С. У тим, що з метою одержання максимальної НВЧ роботі [C.Dalle, A.Derycke, G.Lieti, D.Coral, P.A. потужності, що віддається в узгоджене Rolland «Optimum Design of CW 94 GH Si DDR навантаження на фіксованій частоті в IMPATT sources» Dublin, 1986, 16th Eur. Microwave довгохвильовій частині міліметрового діапазону, Conf., Dublin. 8-12 Sept., 1986. Conf. Proc] зовнішній діаметр напівпровідникової структури з продемонстровані деякі теоретичні й контактною системою й буде визначатися експериментальні способи оптимізації щодо слідуючим співвідношенням: одержання максимальної потужності, яка 1 віддається в навантаження. Насамперед, у 1 é ù2 розроблених приладах автори оптимізували рівні d= × êR 4 C 4 + R 4 C 4 + 16p 2 W 2 A 2 ( 8Pmax A - 1) ú û WC R ë концентрацій в активному шарі, товщини p і n , типу шарів і температуру переходу. Незважаючи де: на задовільні параметри ЛПД (максимальна W - товщина шару збідніння, м; потужність - 500мВт, коефіцієнт ефективності C = we , w - кругова частота, w = 2pf ; 10%), отримані за рахунок запропонованої f - частота, ГГц; оптимізації, у цьому технічному рішенні є істотний недолік - відсутня оптимізація приладу щодо e - відносна діелектрична проникність максимальної потужності шляхом точного напівпровідникового матеріалу, безрозмірна. визначення діаметра напівпровідникової структури R = rl , разом з контактною системою. r - питомий опір напівпровідникового З другого боку, при надмірному збільшенні матеріалу, Ом .м. діаметра ЛПД відбувається ріст ємнісного реактивного опору збідненого шару, і як наслідок l - товщина р - n шар у, м; ефективність передачі потужності з активної зони A = gIDC ; в зовнішнє навантаження різко падає через втрати в напівпровідниковій структурі діода й елементів G g = m = 0,1 ланцюга, що веде до зниження негативного опору і IDC як результат рівень максимальної коливальної g - константа, визначена експериментально; потужності падає. При мінімальних діаметрах приладу рівень IDC - постійний струм (максимальне значення) максимальної потужності падає через зменшення через прилад, А; струму через прилад, тому що робота при 4 2 G m - негативний опір на фіксованій частоті, щільностях стр уму більше 1,0×10 А/см спричиняє Ом; зростання температури р-n понад 250°С. З ростом температури переходу ефективність приладу Pmax - максимальна потужність що віддається падає через зменшення довжини вільного пробігу. ЛПД до узгодженого навантаження, Дж. Метою пропонованого технічного рішення є Новою ознакою, яку має технічне рішення, що одержання максимальної коливальної потужності, заявляється, у порівнянні із прототипом, є що віддається в узгоджене навантаження, шляхом виконання діаметра напівпровідникової структури більше точного визначення діаметра ЛПД. обумовленого заявленим співвідношенням (1), що В основу вина ходу поставлено завдання забезпечує відповідність технічного рішення, що розробки приладу, у якому застосовується заявляється, критерію винаходу «новизна». найбільш точне значення діаметра ЛПД для Виконання величини, що заявляється, забезпечення максимальної коливальної діаметра напівпровідникової структури ЛПД дає потужності, що віддається в узгоджене можливість одержати технічний результат, що навантаження в довгохвильовій частині заявляється, - одержати максимальну коливальну міліметрового діапазону на фіксованій частоті. НВЧ потужність, що віддається в узгоджене Зазначений технічний результат досягається навантаження на фіксованій частоті, що за рахунок того, що в ЛПД, що містить + пояснюється в такий спосіб. багатошарову напівпровідникову стр уктуру р -p-nВиходячи з еквівалентної схеми шару n+ з певним плоским розподілом легуючих множення ЛПД коливальна потужність, що елементів, у якій область р- і n – типу зазначеної (1) 5 81185 6 віддається в навантаження, визначається відомим 1 1 é 4 4 ù 2 (9) 4 4 2 4 2 співвідношенням [Н. Suzuki, О. Korita, М. INO, Т. d= × êR C + R C + 16p W A R(8Pmax A - l ) ú û , Makirura and M. Ohmori. «Rower Considerations and WC R ë IMPATT - Diode Arroys with Incomplete Thermd. Можливість здійснення винаходу Isolation». IEEE Trans. Microwave Theory and Tech., підтверджується кресленнями: vol MTT-28, №.6, lune 1980, pp. 632-638]: Фіг.1 - Схематичне зображення ЛПД у якому 1 2 використаний діаметр структури р + - р - n – n+, що 2 P = V G D - BS B d (2) заявляється. 2 , Фіг.2 - С хематичне зображення ЛПД зібраного Де: V - амплітуда ВЧ напруги з кутовою в корпусі з діелектричного матеріалу на масивній частотою w , що прикладається до негативного теплопровідній підкладинці. Пропонована оптимальна величина діаметра опору G D ; напівпровідникової структури застосована в RS - опір втрат діода; конструкції ЛПД міліметрового діапазону на частоті 34ГГц і представлена на Фіг.1 BD - реактивний опір шару множення. У даному варіанті виконання ЛПД активна Негативний опір діода є нелінійною функцією область приладу сформована шарами р - і n - типу напруги, і може бути апроксимований: 1, 2 загальною товщиною l=2±0,5мкм. Поверхневий опір області 1 (р - шар) становить G D = G M (1 - a 2 ) , (3) 0,22Ом .см, а товщина - 1,1мкм. Поверхневий опір G M - максимальне значення негативного області 2 (n - шар) становить 0,1Ом .см, а товщина - 0,9мкм. До активних областей виконані опору, де a - коефіцієнт, що залежить від відповідно низькоомні шари p+- і n+- типу 3, 4 VB : пробивної напруги товщиною 0,25 і 9мкм з поверхневим опором 2 0,002Ом .см і 0,003Ом .см відповідно. æ3 ö a = ç VB ÷ (4) До областей p+- і n+-типу сформовані методом 2 è ø , вакуумного нанесення плівок Pd, товщиною 0,06мкм шари дисиліцида палладія (Pd2 Si) 5, які Лінійна частина негативного опору забезпечують омічний контакт із пропорційна току через прилад: напівпровідниковим матеріалом. G M = g × IDC , (5) На шар 5 наноситься бар'єрний шар титана 6, g що є антиди фузійним бар'єром, що перешкоджає де константа, визначена взаємної дифузії металу й напівпровідника з боку експериментально, зазвичай g = 0,1 . n+ і p+. Через проміжний шар платини 7 і Диференціюючи вираження (2) по dV і контактного шару золота 8 за допомогою dP взаємоконтактного шару нікелю 9 виконаний = 0 прирівнюючи dV , одержуємо вираз для інтегральний тепловідвід з гальванічне знаходження максимальної коливальної осадженого шару міді 10, товщиною 90мкм. На потужності віддається в зовнішнє узгоджене тепловідвід через підшар нікелю 11 гальванічне навантаження: нанесений шар золота 12 для подальшого складання структури в корпусі. За винятком g × IDC æ a 2 ö ç1 Pmax = RS B D ÷ (6) інтегрального тепловідвода аналогічно ç ÷ 8a è g × IDC ø, сформована контактна система до n+- шарую. Діаметр напівпровідникової структури d з Максимальна потужність росте зі збільшенням контактними системами обраний відповідно до IDC , але IDC обмежено температурою переходу. пропонованого технічного рішення й становить A = g × I DC , рівняння (6) здобуває d=250-300мм для приладу, що працює на частоті Позначимо 34ГГц. вигляд: Згідно винаходу виго товлена 2R SB 2 R 2 B 2 напівпровідникова структура з контактною D S D (7) 8Pmax = 1+ системою й тепловідводом 1 симетрично A A2 . розміщалася і термокомпресійно зварювалася з масивною підставою 2, Фіг.2. Металізований із Підставляючи в рівняння (4) значення RS і ( ) двох торців керамічний корпус 3 приварювався до підстави 2. За допомогою кришки 4 і виводи 5 8W 2 rlw 2 e 2 d 4 - 8r2 l 2 w4 e 4 d 4 - 16p 2 W 4 A 2 ( 8Pmax A - l) = 0 (8) напівпровідникова структура закріплювалася в корпусі з боку n+. Вирішуючи, отримане біквадратне рівняння Зібраний у герметичний корпус ЛПД містився в відносно d , і роблячи підстановку r l = R і we = C , коаксіальній секції коаксіально-хвилевідного одержуємо значення діаметра напівпровідникової переходу, з однієї сторони постаченого структури ЛПД при якому можна одержати короткозамкненим поршнем для підстроювання приладу і узгоджувального трансформатора максимальну коливальну потужність Pmax по опорів з іншої сторони. фіксованій частоті: НВЧ прилад - ЛПД, реалізований згідно винаходу, віддає потужність 20Вт в узгоджене навантаження на частоті 34ГГц в імпульсному BD , одержимо: 7 81185 режимі, при цьому тривалість імпульсу становила 100¸300нсек. Шпаруватість - не більше 1000. При пробивній напрузі Uпр=38-40В величина пробивного струму 16-20А. 8