Генераторы Ганна и генераторы на ЛПД привлекают к себе все более пристальное внимание как в нашей стране, так и за рубежом, прежде всего с точки зрения новых возможностей в получении мощности в диапазоне сантиметровых волн.
Книга рассчитана на широкий круг читателей. Ее с интересом прочтут специалисты, занятые разработкой, конструированием и применением активных СВЧ-элементов, а также лица, специализирующиеся в области физики полупроводников и полупроводниковой электроники. Кроме того, книгу можно рекомендовать аспирантам и студентам старших курсов соответствующих специальностей.
Предисловие
редактора
перевода
СВЧ-генераторы на горячих электронах — диоды Ганна и лавиннопролетные диоды (ЛПД) — открыли новую страницу в области электроники мощных полупроводниковых приборов.
Несмотря на то, что со времени открытия эффекта Ганна и создания ЛПД Тагером и Ридом прошло уже около 10 лет, число работ, посвященных этим приборам, непрерывно растет.
Генераторы Ганна могут работать на частотах до 100 ГГц и более, обеспечивая на частотах сантиметрового диапазона мощности до нескольких киловатт в импульсном и нескольких ватт в непрерывном режиме при к. п. д. до 30%. ЛПД обладают чрезвычайно высоким к. п. д. (до 60%) в сантиметровом диапазоне в режиме генерации. В настоящее время генераторы на ЛПД представляют собой наиболее мощные твердотельные генераторы, работающие в непрерывном режиме.
Уже появилось довольно значительное количество обзоров по рассмотренным в книге вопросам. Их можно найти как в списке работ, на которые ссылается автор, так и в дополнительном списке литературы. Хотелось бы, в частности, отметить обзор А. Ф. Волкова и Ш. М. Когана [287], в котором рассмотрены физические явления в полупроводниках с отрицательной дифференциальной проводимостью, и обзоры [304, 306], посвященные приборам на основе эффекта Ганна. Причем, если по ЛПД имеется монография А. С. Тагера и В. М. Вальд-Перлова [311], а также разделы в книгах Г. Е. Пи-куса [308] и Я. А. Федотова [312], то по эффекту Ганна, помимо упомянутых выше обзоров, появилась лишь небольшая брошюра [315] в серии «Библиотека по радиоэлектронике». В ближайшее время ожидается также выход в свет монографии В. Л. Бонч-Бруевича с сотрудниками, которая посвящена общей теории доменной неустойчивости.
В книге Кэррола с единой точки зрения рассмотрены генераторы на основе эффекта Ганна и генераторы на ЛПД; с ее
Оглавление
Предисловие редактора перевода ............... . 5
Предисловие автора к русскому изданию............ 7
Предисловие автора к английскому изданию........... 8
Обозначения ....................... 10
Введение.............. .......... 15
Глава 1. Введение в физику полупроводников.......... 21
§ 1. Основные допущения............... 21
Уровень Ферми................ . 23
Компенсация................. 23
§ 2. Приближение эффективной массы.......... 25
Диаграммы Бриллюэна............. 25
Немаги (усилители и генераторы на отрицательной массе) 28
§ 3. Зона Бриллюэна................ 29
§ 4. Многодолинные полупроводники.......... 30
§ 5. Плотность состояний............... 32
§ 6. Электронные столкновения............ 33
§ 7. Колебания кристаллической решетки......... 35
§ 8. Фононы................... 39
§ 9. Поглощение и испускание фононов......... 41
§ 10. Обмен энергией и импульсом между электроном и фононом 42
Глава 2. Теория столкновений и горячие электроны........ 46
§ 1. Введение ................... 46
§ 2. Среднее время свободного пробега.......... 48
§ 3. Времена релаксации по импульсу и энергии...... 50
Постановка задачи о столкновениях......... 51
Время релаксации по импульсу........... 51
Время релаксации по энергии............ 52
§ 4. Функция распределения.............. 54
§ 5. Уравнение Больцмана............... 55
Столкновительный член.............. 57
§ 6. Решение уравнения Больцмапа........... 58
Вычисление столкновительного члена......... 60
§ 7. Решение для случая с потерей энергии........ 62
Расчет функции распределения ........... 63
§ 8. Насыщение скорости............... 65
§ 9. Уравнения сохранения и их аппроксимации...... 68
Генерация и захват............... 72
Задачи........................ 73
Глава 3. Междолинный переход электронов и эффект Ганна..... 75
§ 1. Введение................... 75
Формирование домена.............. 77
Диэлектрическая релаксация............ 78
Зависимость дрейфовой скорости электронов от поля ... 79
§ 2. Элементарная теория междолинного перехода электронов . 80
Модель теплового равновесия............ 80
Переход с учетом междолинного и внутридолинного рассеяния.................... 83
§ 3. Теория расчета междолинного перехода электронов на ЭВМ 85
§ 4. Экспериментальное измерение зависимости дрейфовой скорости электронов от поля............. 88
§ 5. Диффузия, перенос энергии и скорости рассеяния .... 90
Диффузия................... 91
Зарождение домена............... 92
Ограничения скорости рассеяния.......... 93
§ 6. Формирование домена и эффект Ганна........ 95
Эксперименты Ганна............... 97
§ 7. Эффект Ганна в других полупроводниках....... 99
Задачи...................... 101
Глава 4. Неустойчивости и волны............... 102
§ 1.. Введение .................. . 102
§ 2. Малосигнальный анализ.............. 104
§ 3. Волны заряженных носителей............ 106
Ослабление пространственного заряда ..... ... 107
§ 4. Малосигнальный импеданс............. НО
Влияние, диффузии на устойчивость......... 112
Отрицательный импеданс в стабильных образцах . . . .113 Устойчивость и эффекты, связанные с диэлектрическими и
металлическими покрытиями............ 113
§ 5. Перераспределение поля............. 114
Катодный контакт................ 114
Уравнения для поля............... 116
Пролетное время................ 118
Электронейтральность .... .......... 118
§ 6. Импеданс при неоднородном распределении поля . . . .118 § 7. Экспериментальные наблюдения нарастающих волн и отрицательного сопротивления ............. 122
Задачи...................... 124
Глава 5. Динамика домена ................. 126
§ 1. Введение................... 126
§ 2. Правило равных площадей ............ 128
§ 3. Характеристики домена в приближении нулевой диффузии 130
Нагрузочная прямая............... 133
Триггерный режим................ 133
§ 4. Эффекты конечной диффузии............ 134
Предельный случай низкого напряжения ....... 134
Предельный случай высокого напряжения....... 136
Напряжение на домене............,, ... 138
Выводы относительно эффектов диффузии....... 140
§ 5. Возможные формы доменов............ 140
Домен с плоской вершиной............ 140
Обогащенный слой................ 142
Домен слабого поля............... 143
§ 6. Теория нестационарного домена: модифицированное правило равных площадей .............. 144
Правило неравных площадей............ 146
§ 7. Время формирования домена............ 147
§ 8. Эквивалентная схема домена............ 149
§ 9. Логические схемы, использующие домен , ,...... 162
Применение образца с переменным сечением...... 153
Получение коротких импульсов с помощью диодов Ганна . 155
Задачи ,..................... 156
Глава 6. Генераторы Ганна . ................ 158
§ 1. Введение................... 158
Классификация доменных режимов генерации..... 159
Промышленные ганновские приборы........ . 160
§ 2. Теория режимов работы диода Ганна в резонаторе при
больших значениях параметров n-L и пЦ....... 161
Пролетный режим работы в резонаторе.......• 163
Режим запаздывания формирования домена ...... 163
Режимы гашения домена............. 167
Потери мощности, связанные с емкостью домена .... 167
§ 3. Использование заряда домена: повышение к. п. д..... 170
Режим запаздывания............... 174
§ 4. Оптимальные формы колебаний........... 176
§ 5. Промышленные генераторы............ 177
Низкочастотные устройства............. 179
Высокочастотные приборы............. 179
§ 6. Изготовление диодов Ганна............ 183
Производство материала............. 183
Структуры типа «сандвич» ............. 185
Пленарные структуры .............. 186
Значение однородности материала и качества контактов . . 187
Защита или герметизация............ 188
Задачи ........ ...... . ...... 189
Глава 7. Режим с ограничением накопления объмного заряда .... 190
§ 1. Ограничения мощности.............. 190
Режим ограничения накопления пространственного заряда . 190
Многодоменные режимы генерации ......... 191
Контроль объемного заряда ........... .192
§ 2. Произведение мощности на импеданс........ . 192
§ 3. Контроль объемного заряда в режиме ОНОЗ...... 196
§ 4. Мощность и к. п. д. в режиме ОНОЗ......... 1Й9
Формы СВЧ-напряжения............. 203
§ 5. Ввод в режим ОНОЗ............... 204
Ограничения частоты............... 206
§ 6. Случай нескольких доменов, гибридные режимы, последовательное соединение приборов . . ........ 207
Случай нескольких доменов........... 207
Гибридные режимы ............... 208
Коэффициент полезного действия в гибридном режиме . . 210
Диаграммы режимов............... 211
§ 7. Низкочастотная отрицательная проводимость......213
Задачи...............,......214
Глава 8. Лавинный пробой..................215
§ 1. Введение...................215
р — п-переходы..............., . 216
Лавинное умножение...............218
Насыщение скорости...............219
Статистические характеристики лавинного пробоя .... 219
§ 2. Теория скоростей ионизации ............ 220
Зависимость скорости ионизации от поля ....... 221
Ограничения по частоте . •............223
§ 3. Теория нарастания лавины............223
Напряжение пробоя ......'.........226
§ 4. Измерение коэффициентов ионизации........226
Теория измерения ................ 230
§ 5. Измерение насыщения скорости........... 232
§ 6. Характеристики р — i — /г-диода на постоянном токе . . . 235 § 7. Шнурование тока................ 240
Глава 9. Динамика лавинного пробоя..............242
§ 1. Введение...................242
Область дрейфа.................242
Индуктивность лавинного пробоя ....... ... 245
Структура диода Рида.............. 246
Протяженная однородная область лавинного пробоя —диод
Мисавы.................... 248
Произведение мощности на импеданс.........250
§ 2. Динамические уравнения для области лавинного пробоя . • 251
§ 3. Диод Рида..................253
Индуктивность лавины..............254
Область дрейфа.................255
Лавинный резонанс............... . 257
§ 4. Нелинейные эффекты в диодах Рида.........257
Аппроксимация резких импульсов..........261
Эффекты, связанные с объемным зарядом ....... 262
§ 5. Однородная область лавинного пробоя........265
Малосигнальный анализ для однородной области лавинного пробоя..................267
Задачи......................269
Глава 10. Лавиннопролетные приборы .............271
§ 1. Введение...................271
Усилители на отрицательном сопротивлении ...... 273
п__л -.....—
§ 2. Приближение нескольких однородных слоев: доля
Доля тока..........
§ 3. Малосигнальный импеданс
тока
Влияние увеличения плотности тока ....... .
§ 4. Скорость нарастания колебаний .... .....
Последовательное сопротивление .........
§ 5. Нелинейная теория диода Рида (расчеты на ЭВМ) .... ^.uu
Коэффициент полезного действия..........287
Структуры для реальных приборов..........289
§ 6. СВЧ-цепь...................290
Цепь для контроля второй гармоники ........ 293
273
274 278 280 282 284 285
§ 7. Аномальный лавиннопролетный режим........ 295
Расщепление зоны лавинного пробоя и уменьшение поля . . 300
Роль р — 1 — п-диода...............303
Роль последовательного сопротивления ....... . 303
Внешняя цепь для работы в режиме TRAPATT.....304
§ 8. Способы конструирования.............305
§ 9. Измерение параметров приборов..........308
Измерение реактивностей патрона ...... .... 308
Измерение тепловых свойств............312
Задачи ........ ....... . ...... 312
Глава 11. Некоторые общие характеристики генераторов ...... 314
§ 1. Введение................... 314
§ 2. Условия генерации................315
§ 3. Фазовая синхронизация ..............318
§ 4. Теория шумов.................319
Физические причины шума .............323
Измерение шумов генератора............326
§ 5. Частотная перестройка..............328
Задачи......................331
Приложения.......................332
Приложение 1 (к гл. 1, § 5). Плотность состояний ..... 332 Приложение 2 (к гл. 3, § 2). Двухтемпературная модель междолинного электронного перехода .... ........ 333
Приложение 3 (к гл. 4, § 3). Волны в образцах конечных размеров......................336
Приложение 4 (к гл. 4, § 6). Малосигнальный импеданс • . . 339 Приложение 5 (к гл. 5, § 4). Расчет параметров домена . • . 340 Приложение 6 (к гл. 6, § 2). Генераторы типа С с переключением . •................... . 343
Приложение 7 (к гл. 7, § 6). Идеализированная модель режима гашения в последовательной резонансной цепи (с поправкой на
влияние гибридного режима).............. 346
Приложение 8 (к гл. 8, § 2). Теория коэффициентов ионизации 349 .Приложение 9 (к гл. 8, § 6). Характеристика р—i—/г-диода . . 352 Приложение 10 (к гл. 9, § 3). Теорема Рамо — Шокли .... 353 Приложение 11 (к гл. 9, § 5). Волновое уравнение для однородной области лавинного пробоя ............. 354
Приложение 12 (к гл. 11, § 2). Реактанс Фостера и теорема
возмущений Слэтера .................358
Приложение 13. Приборы на горячих электронах (не рассмотренные в основном тексте книги) ............. 359
СВЧ-излучение из InSb..............359
Барьер Шоттки, или диод на горячих носителях ..... 361
Усилители на горячих электронах ......... . . 362
Термоэлектрический диод.............. 363
Литература........................365
Дополнительная литература............. 372
Литература, добавленная редактором перевода ...... 373
Предметный указатель......,.............375
Цена: 150руб.
