УДК 621.382
УСАНОВ Д.А., СКРИПАЛЬ А.В.,
напряжениях смещения и при обратных - в области лавинного пробоя
КЛЕЦОВ А.А., АБРАМОВ А.В.
вольтамперные характеристики (ВАХ) измерялись с использованием

характериографа с частотой развертки 100 Гц. Напряжение развертки для
ОТРИЦАТЕЛЬНОЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ
получения ВАХ ЛПД создавалось с помощью повышающего
N-ТИПА НА ВОЛЬТАМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИКАХ
трансформатора.
ЛАВИННО-ПРОЛЕТНЫХ ДИОДОВ В СИЛЬНОМ СВЧ-ПОЛЕ
При увеличении уровня мощности внешнего СВЧ-сигнала

наблюдалась постепенная деформация ВАХ лавинно-пролетного диода,
Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского,
характеризующаяся увеличением тока как при прямых смещениях, так и
Россия, 410026, г. Саратов, ул. Московская, 155,
при обратных смещениях на ЛПД.
тел. (8452) 514563; e-mail: usanovda@info.sgu.ru
При мощности СВЧ-сигнала P , большей ~1.0 Вт, на ВАХ ЛПД в

диапазоне напряжений от -15В до -5В возникал дополнительный участок
В настоящее время для получения наибольшей мощности излучения
резкого возрастания тока (отмечен стрелкой на кривой 2 рис. 1).
в коротковолновой части СВЧ-диапазона в качестве активных элементов
При мощности внешнего СВЧ-сигнала ~5.0 Вт слева и справа от
генераторов обычно используются ЛПД [1]. В режиме большого сигнала в
участка резкого возрастания тока на вольтамперной характеристике ЛПД
лавинно-пролетных диодах возникают эффекты, связанные с нелинейной
возникали участки с отрицательным дифференциальным сопротивлением
зависимостью параметров ЛПД от амплитуды переменного сигнала,
(ОДС) N-типа (рис. 1). При выключении СВЧ-воздействия ВАХ диода
воздействующего на диод. Одним из таких эффектов является эффект
принимала исходный вид, характерный для лавинно-пролетных диодов в
изменения режима работы ЛПД по постоянному току, вследствие процесса
отсутствии внешнего СВЧ-сигнала (кривая 1 рис 1).
детектирования
переменного
напряжения
на
его
нелинейном
Экспериментально
удалось
установить,
что
положение
сопротивлении [2].
возникающих под действием СВЧ-сигнала дополнительного участка
При воздействии внешнего СВЧ-сигнала на СВЧ-диоды, в том числе
резкого возрастания тока и участков с ОДС на ВАХ ЛПД существенным
и на ЛПД, работающие в режиме генерации СВЧ-колебаний, может
образом зависит от параметров СВЧ-схемы, в которую включен ЛПД.
наблюдаться возникновение сложных динамических режимов, а именно:
При
моделировании
поведения
лавинно-пролетного
диода,
генерация субгармоник, частотная и амплитудная модуляции, хаотические
включенного в СВЧ-линию передачи, использовалась эквивалентная
колебания. При теоретическом описании таких режимов обычно исходят
схема, элементы которой моделируют полупроводниковую структуру
из предположения, что стационарные вольтамперные характеристики
диода в виде параллельного соединения емкости C и нелинейного
(ВАХ) при воздействии внешнего СВЧ-сигнала можно считать
сопротивления
R.
Отрезок
волновода
моделируется
входной
неизменными. Корректность такого предположения и возможность
проводимостью в плоскости включения диода Y0 . Нелинейное
качественного изменения вида ВАХ для ЛПД ранее экспериментально не
сопротивление R определялось как среднее сопротивление p n-перехода
проверялись. Для их выяснения нами были проведены экспериментальные
по первой гармонике СВЧ-тока. В расчетах использовалось выражение для
исследования характера изменения вольтамперных характеристик лавинно-
тока I, учитывающее эффект разогрева свободных носителей заряда в СВЧ-
пролетных диодов в зависимости от уровня воздействующего на них СВЧ-
поле и резкое возрастание тока при отрицательных напряжениях смещения
сигнала, результаты которых приведены в настоящей работе.
в области лавинного пробоя:
Исследования проводились при комнатной температуре с
qD n S
n p0
V
q k Tn -T0
V
q

V
q k Tn -T0 q V -V
использованием кремниевых лавинно-пролетных диодов типа 2А706.
(
)
I =
exp


+
÷-exp
-
S ÷+

D
m kT T
÷÷ m kT ÷
m kT T
÷÷ m kT ÷
Лавинно-пролетный диод устанавливался в разрыве стержневого
nt n

1
0
n

1
n
2


0
n

2
n




держателя, являющегося элементом коаксиального резонатора. Входная

qD p S
V
q

p n0
k
T p -T


0
V
q
V
q

k
T p -T
0
q(


÷
÷
V -V )
нагрузка ЛПД регулировалась с помощью короткозамыкающего поршня.
+
exp

+
- exp

÷
S ÷
-
+
D

m kT T
÷ m kT ÷
m kT T
÷ m kT
÷
pt p
0
p
p
0
p
p

На вход диода подавался сигнал с частотой 2500 МГц, мощность которого
1
1
2
2









варьировалась в диапазоне от 0 до 15 Вт. Для уменьшения влияния
q n
D np S
0
V
q
qD p S

0
qV

S
p n
S
теплового саморазогрева диодной структуры ЛПД при прямых
+
exp

1
- +
exp


÷ 1
- ,
n
D tn
m kT ÷÷
2

n
D t


p p
m 2kT ÷
p






где
Dn D
,
p, t n, t p T
, n T
, p - коэффициенты
диффузии, время жизни и
1. Тагер А.С., Вальд-Перлов В.М. Лавинно-пролетные диоды и их
температура электронов и дырок соответственно,
применение в технике СВЧ. М.: Сов. радио, 1968. 480 с.
T 0
- температура
2. Усанов Д.А., Скрипаль А.В. Физика работы полупроводниковых
решетки, q --.элементарный заряд, n 0
p и pn0 - концентрации неосновных
приборов в схемах СВЧ. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1999. 376 с.
носителей заряда в p - и n -областях p n-перехода, k- постоянная

Больцмана, S-площадь поперечного сечения диодной структуры.




Рис. 1.
Экспериментальные
Рис. 2. Расчетные ВАХ ЛПД
ВАХ ЛПД

Емкость полупроводниковой структуры С определялась суммой
барьерной Сб и диффузионной Сд емкостей. Расчет вольтамперной
характеристики диода проводился с учетом детекторного эффекта.
Амплитуда СВЧ-напряжения
~
V
определялась по величине
поглощенной диодом СВЧ-мощности P . Для вычисления величины
поглощенной СВЧ-мощности использовалось выражение:

P =P0 - 2
1 N ÷

,


где 0
P - падающая на диод СВЧ-мощность, N коэффициент отражения
СВЧ-сигнала от диода. Расчеты, выполненные с использованием
вышеприведенной модели, показали, что принятых в ней допущений
достаточно для описания возникновения на вольтамперной характеристике
ЛПД участков с ОДС N-типа (штриховая кривая рис. 2) при воздействии
СВЧ-сигнала.
Таким образом, экспериментально обнаружен и теоретически
описан
эффект
возникновения
в
сильном
СВЧ-поле
области
отрицательного дифференциального сопротивления N-типа на прямой и
обратной ветвях вольтамперных характеристик ЛПД.