Эффекты, связанные с разогревом электрическим полем электронного газа в полупроводниках, составляют физическую основу большинства активных твердотельных приборов СВЧ, до 1980 года ЛПД и диоды Ганна (диоды с междолинным перебросом) были практически единственными твердотельными генераторами и усилителями в СВЧ-диапазоне. Сегодня эти диоды остаются самыми высокочастотными приборами:
- диоды Ганна работают в диапазоне и свыше 150 ГГц,
- ЛПД - и свыше 300 ГГц.
Генерируемая мощность – десятки и даже сотни милливатт, КПД – до единиц процента и менее (поэтому используются в качестве дискретных приборов – большая рассеиваемая мощность – для ИС непригодны).
Всего через год после изобретения туннельного диода в США (1958 г. Reed) было показано, что эффект лавинного умножения (пробоя) можно использовать в сочетании с регулируемым временем пролета носителей через активную область для генерации и усиления СВЧ колебаний.
Предложенная структура технологически была чрезвычайно сложна (по тому времени) р+-п-i-п+ и была реализована в США лишь в 1965 г.
В СССР этот эффект был практически исследован и применен уже в 1959 г. Тагером для генерации на варакторах когерентных СВЧ колебаний (За цикл работ в этой области он был удостоен Нобелевской премии). В 1962 году были созданы первые генераторы и сегодня это наиболее перспективный класс приборов генераторного типа с отрицательным дифференциальным сопротивлением.
ЛПД – диод с динамическим отрицательным сопротивлением
Работа ЛПД определяется, в основном, двумя физическими процессами:
- дрейфом носителей (движением под действием электрического поля);
- лавинным умножением (которое имеет место при электрических полях порядка (3-6)105 В/см для кремния, чтобы носители разгонялись в нем до энергий, при которых они способны генерировать электронно-дырочные пары путем ударной ионизации).
Для анализа процессов, происходящих в ЛПД, используют идеализированную модель меза-структуры с локализованным пространством умножения носителей. Считают, что это пространство заключено в узком слое в плоскости контакта полупроводников с различными типами проводимости. Указанная модель применима для анализа структур р-п, р+-п-п+, р+-п-i-п +. На рис.2.50 показаны структуры ЛПД и распределение электрического поля вдоль меза-структуры. В таких приборах из-за резкого изменения электрического поля в пределах запорного слоя эффект лавинного умножения сосредоточен в узкой (заштрихованной на рис.2.50) области вблизи максимума, при Е.> Екр.
Рис.2.50
Пролетные области (в структурах р-п, р+-п-п+, р+-п-i-п), в которых Е.< Екр имеют протяженность равную 
, причем во второй и в третьей структурах имеется лишь одна пролетная область, а в первой – две (приборы называют соответственно: - однопролетными и двухпролетными).
Динамическое отрицательное сопротивление в пролетном пространстве ЛПД обусловлено инерционностью процесса ударной ионизации, приводящей к сдвигу тока,. вытекающего из слоя умножения, относительно вызвавшего его напряжения и задержкой тока за счет движения носителей в пролетном пространстве.
На примере однопролетного прибора можем видеть, что электронно-дырочные пары генерируются в области сильного поля вблизи р-п- перехода. При этом дырки сразу оказываются втянутыми в «отрицательную» р-область, а электроны инжектируют в пролетное пространство. Временные диаграммы изменения напряжения и тока в ЛПД приведены на рис. 2.51.
Напряжение на ЛПД контролирует амплитуду тока, вытекающего из слоя умножения. Если напряжение изменяется синусоидально, почти синфазно с ним изменяется коэффициент ударной ионизации 
, показывающий, какое число пар генерируется одним носителем. Но концентрация носителей в слое умножения меняется не синфазно с изменением поля, поскольку генерация их зависит от количества носителей в слое умножения. Даже когда поле, пройдя через максимум, убывает, концентрация носителей в слое умножения продолжает возрастать, т.к. поле еще превышает критическое значение Екр. Максимум концентрации приходится на момент, когда поле снижается до Екр. Таким образом переменная составляющая концентрации носителей в слое умножения отстает по фазе от коэффициента ударной ионизации, синфазно с напряжением на диоде.
Рис.2.51
Вытекающий из слоя умножения ток инжекции (ie) имеет форму коротких импульсов. Сгустки электронов, инжектированные в пролетную область, пролетают ее со скоростью, равной скорости насыщения (практически не зависящей от переменного напряжения на диоде). Во внешней цепи при этом протекает практически постоянный наведенный ток (iн).
Максимум отрицательного сопротивления наблюдается, когда напряжение и ток противофазны, поэтому пролетное пространство должно обеспечивать фазовый сдвиг, равный 900, что соответствует пролетному углу 
.
Рис.2.52 Рис.2.53 Рис.2.54
Как известно, наведенный во внешней цепи ток iн, связан с током, вытекающим из слоя умножения ie, соотношением
,
где 
- время движения носителей в пролетной области.
Разлагая ток ie в ряд Фурье и считая, что его первая гармоника i1e сдвинута по фазе относительно напряжения на диоде на угол 
, т.е. 
откуда выражение для первой гармоники
.
Максимальное отрицательное сопротивление соответствует 
, т.к. 
.
Необходимо отметить, что величина фазового сдвига равная должна рассматриваться как приближенное значение.
В действительности фазовый сдвиг между напряжением и током, вытекающим из слоя умножения будет зависеть от частоты и на низких частотах будет равен нулю. Практически, рабочая область ЛПД лежит вблизи первого максимума вещественной части отрицательной проводимости (см. рис.2.52), т.е. на частотах 
, где Vs – дрейфовая скорость носителей в режиме насыщения (для кремния это величина порядка 107 см/с), - протяженность дрейфовой области. (Например, для кремниевых ЛПД, предназначенных для работы на частоте порядка 10 ГГц, = 5 мкм).
Величина коэффициента лавинного умножения оценивается как сумма бесконечной геометрической прогрессии
.
Экспериментальная оценка величины пропорциональная Е6, где Е – напряженность электрическогополя в слое умножения, поэтому можно считать 
, где Uпр – пробивное напряжение диода, при котором начинается процесс лавинного роста тока, U – напряжение на диоде в рабочей точке.
ЛПД изготавливают из кремния, германия, арсенида галлия. На кремниевых ЛПД миллиметрового диапазона (50 ГГц) в импульсном режиме получена мощность 0,35 Вт при КПД около 0,5 %. На более низких частотах получена колебательная мощность до нескольких сотен ватт (на 1 ГГц) при КПД до 40 %.
Особенностью ЛПД является сравнительно высокий уровень шумов (свойственный механизму лавинной ионизации), что используется для создания высокоэффективных генераторов шума.
ВАХ ЛПД на постоянном токе I = f(U) и его эквивалентная схема включенного в колебательный контур приведены на рис. 59, 60, где Ср, L,G – емкость колебательного контура с индуктивностью и проводимостью на резонансе; Gн – проводимость нагрузки; Ge, Be – электронная проводимость ЛПД на частоте автоколебаний.
Конструкция ЛПД малой мощности и характерные зависимости выходной мощности, КПД и генерируемой частоты от тока ЛПД приведены на рис.2.55.
Можно показать, что процесс ударной ионизации практически безынерционен (10-15с), поэтому верхняя частотная граница пролетного диода определяется ослаблением в сильных полях полевой зависимости скорости ударной ионизации (насыщение) и диффузионным распылением электронных сгустков в пролетном пространстве. Диффузионный предел определяется частотой 2 
, где D – коэффициент диффузии. Частота fD для кремния порядка 350 - 500 ГГц, для арсенида галлия 130 - 600 ГГц для SiC (4-10)104 ГГц – последний из указанных материалов является наиболее перспективным в плане построения ЛПД СВЧ.
Рис.2.55 Рис.2.56
Диод Ганна – диод который не имеет р-п- перехода. Прибор был создан (в США промышленные образцы в 1966 г. в СССР - в 1967 г.) на основе эффекта (обнаруженного в 1963 году Дж.Б.Ганном) возникновения электрических колебаний в однородном кристалле полупроводника при наложении постоянного электрического поля (величина порогового поля для арсенида галлия порядка 2 - 4 кВ/см). Частота возникающих когерентных колебаний оценивается как 
, где Vдр = 107 – дрейфовая скорость электронов при критическом поле, см/сек; 
- длина образца.
Эти колебания связаны с прохождением через образец «доменов» сильного поля (движение «доменов» в двухдолинных полупроводниках и вызываемые этим движением явления называют эффектом Ганна).