Диод Ганна

Содержание:

 

 

1. Введение 3
2. Принцип работы 4
3. Вольт-амперная характеристика (ВАХ)  5
4. Электрические параметры 6
5. Достоинства и применение 7

 

Введение

 

           Диод Ганна  ­ это полупроводниковый прибор без p-n-перехода, преобразующий энергию источника питания постоянного напряжения в энергии сверхвысокочастотных колебаний в результате возникновения в полупроводнике домена сильного поля.

В  1963г., исследуя свойства полупроводниковых  соединений в сильных электрических  полях, Дж. Ганн обнаружил явление  спонтанного возникновения колебаний  электрического поля в однородных образцах арсенида галлия (GaAs) и фосфида индия (InP) при напряженности поля больше некоторого порогового значения. По имени автора открытия это явление стали называть эффектом Ганна, а созданные на его основе источники СВЧ колебаний – генераторами на диодах Ганна или просто генераторами Ганна.

Открытие Дж. Ганна завершило  этап длительного периода усилий исследователей по отысканию явлений  в твёрдом теле, обеспечивающих объёмную отрицательную проводимость.

В отличие от туннельных, лавинно - пролётных и других диодов, свойства которых определяются процессами в p-n-переходах, свойства диодов Ганна   характеризуются явлениями, возникающими в объёме полупроводника с электронной  проводимостью.

           Аномальная зависимость скорости электронов  от напряженность электрического поля  в некоторых полупроводниковых соединениях используется для усиления и генерации колебаний СВЧ – диапазона.   

           Потребность в подобных источниках СВЧ колебаний, обладающих малыми габаритами и массой, повышенной надежностью, сравнительно простой конструкцией, предъявляющих в большинстве случаев пониженные требования к источникам питания, в современной радиоэлектронике весьма велика.

           В отечественной литературе диоды Ганна называли приборами с объемной неустойчивостью или с междолинным переносом электронов, так как активные свойства диодов обусловлены переходом электронов из "центральной" энергетической долины в "боковую", где они уже могут характеризоваться малой подвижностью и большой эффективной массой. В иностранной же литературе диоду Ганна соответствует термин ТЭД (Transferred Electron Device).

 

 

 

 

Принцип работы

 

                     Рис.1 Структура диода Ганна

        Диод Ганна традиционно состоит из слоя арсенида галлия с омическими контактами с обеих сторон. Активная часть диода Ганна обычно имеет длину порядка l = 1-100 мкм и концентрацию легирующих донорных примесей n = 1014 − 1016 см−3. В этом материале в зоне проводимости имеются два минимума энергии, которым соответствуют два состояния электронов — «тяжёлые» и «лёгкие». В связи с этим с ростом напряжённости электрического поля средняя дрейфовая скорость электронов увеличивается до достижения полем некоторого критического значения, а затем уменьшается, стремясь к скорости насыщения.

        Таким образом, если к диоду приложено напряжение, превышающее произведение критической напряжённости поля на толщину слоя арсенида галлия в диоде, равномерное распределение напряжённости по толщине слоя становится неустойчиво. Тогда при возникновении даже в тонкой области небольшого увеличения напряжённости поля электроны, расположенные ближе к аноду, «отступят» от этой области к нему, а электроны, расположенные у катода, будут пытаться «догнать» получившийся движущийся к аноду двойной слой зарядов. При движении напряжённость поля в этом слое будет непрерывно возрастать, а вне его — снижаться, пока не достигнет равновесного значения. Такой движущийся двойной слой зарядов с высокой напряжённостью электрического поля внутри получил название домена сильного поля, а напряжение, при котором он возникает — порогового.

В момент зарождения домена ток в диоде  максимален. По мере формирования домена он уменьшается и достигает своего минимума по окончании формирования. Достигая анода, домен разрушается, и ток снова возрастает. Но едва он достигнет максимума, у катода формируется новый домен. Частота, с которой этот процесс повторяется, обратно пропорциональна толщине  слоя полупроводника и называется пролетной  частотой.

        Недостатком данной конструкции является небольшой рабочий СВЧ диапазон, ограниченный пролетным режимом.

       

Вольт-амперная характеристика (ВАХ)

 

           Арсенид  галлия относится к так называемым  двухдолинным полупроводникам. Плотность тока в условиях малых напряженностей электрических полей Е можно выразить следующим соотношением (участок ОА рис.2).

 

j = eN₁m₁ ,

 

где N₁ – концентрация электронов в нижней долине.

  Рис. 2 Зависимость плотности тока проводимости от напряжённости поля

                                                                                                                           При достаточно сильном электрическом поле часть электронов приобретает энергию, сравнимую с энергией междолинного перехода, и переходит из нижней в верхнюю долину.

           Большая разница в подвижности электронов для верхней и нижней долин приводит к тому, что начиная с некоторого значения критического поля средняя дрейфовая скорость электронов в однородном образце начинает уменьшаться с ростом электрического поля. При этом плотность тока в образце на  участке АВ  (рис.2) будет

 

j = e (N m₁+N m₂) E             

              

Наконец, при очень больших полях (Е=Е_v) все электроны перейдут в верхнюю долину и плотность тока через образец (участок ВС рис.2) станет

j = eN₂m₂E ,                               

                                                           

где N₂   – общая концентрация электронов в зоне проводимости.

 

Рис. 3 Вольт-амперная характеристика

          Таким образом, при напряженности поля выше порогового значения Е_пор  вольт-амперная характеристика (ВАХ) ДГ имеет падающий участок (рис.3), на котором дифференциальная  проводимость ДГ отрицательна

 

G_дг =   Dj / DE < 0.    

                                                                                

           Отметим, что за счёт взаимодействия электронов с кристаллической решеткой полупроводника скорость электронов не превышает ~ 107 см / с, т.е. имеет место явление « насыщения » при больших напряжённостях поля, и ток достигает некоторого постоянного значения – i нас.

Электрические параметры

 

           Значения максимального КПД диода Ганна не превышают 20 %. Повысить КПД генераторов на диодах Ганна можно за счет использования более сложных колебательных систем.

           Другой путь повышения КПД состоит в применении в диодах Ганна материалов с большим отношением U_макс / U_нас. Так, для фосфида индия оно достигает 3,5, что увеличивает теоретический электронный КПД диодов до 40%.

           Самые высокие КПД диодов Ганна получены на f = 1 – 10ГГц. С увеличением частоты КПД диодов значительно снижается. При работе в непрерывном режиме максимальные КПД = 10 – 12 % на f < 20ГГц, 5 – 6 % на f < 40ГГц и 2 – 3 % на f = 90ГГц. 

           Снижение КПД  диодов в непрерывном режиме связанно главным образом с ухудшением условий отвода тепла. Поэтому меры, принимаемые для повышения мощности за счёт улучшения теплоотвода, обеспечивают одновременно и некоторые повышенные КПД.  Эффективность работы диодов можно повысить, если принять меры по достижению оптимальной подстройки внешней цепи не только на первую гармонику, но и на более высокие гармонические  составляющие колебаний, возникающих в диодах. 

           Следует иметь в виду, что электронный КПД генераторов на диодах Ганна уменьшается на высоких частотах, когда период колебаний становится соизмеримым со временем установления отрицательной дифференциальной проводимости (это проявляется уже на частотах ~ 30ГГц). Инерционность процессов, определяющих зависимость средней дрейфовой скорости от поля, приводит к уменьшению противофазной составляющей тока диода. Предельные частоты диодов Ганна, связанные с этим явлением, оцениваются значениями 100ГГц для приборов из GaAs и 150 – 300ГГц для приборов из InP (фосфид индия). 

          Выходная мощность Р_вых диодов Ганна ограничена электрическими процессами. Влияние последних приводит к зависимости максимальной мощности от частоты в виде P_{выхf = A, где постоянная A определяется допустимым перегревом структуры, тепловыми характеристиками материала, электронным КПД и ёмкостью диода. Ограничения по} электрическому режиму связаны с тем, что при большой выходной мощности амплитуда колебаний оказывается соизмеримой с постоянным напряжением U  на диоде:

 

U_m»U₀= E₀l,                                                                                                                                                                                                 

 

где l – длина образца. 

           На относительно низких частотах (в сантиметровом диапазоне длин волн) максимальное значение выходной мощности диодов Ганна определяется тепловыми эффектами. В миллиметровом диапазоне длин волн толщина активной области диодов, работающих в доменном режиме, становится малой и преобладают ограничения электрического характера. В непрерывном режиме в трехсантиметровом диапазоне длин волн от одного диода можно получить мощность 1 – 2Вт при КПД до 14%; на частотах 60 – 100ГГц – до 100мВт при КПД до нескольких единиц процентов. Генераторы на диодах Ганна характеризуются значительно меньшими частотными шумами, чем генераторы на лавинно-пролётных диодах.

Достоинства и применение

 

           Современные диоды Ганна работают в полосе частот более октавы, имеют малые шумы, требуют низковольтных источников питания. Гарантируемый срок службы превышает 100 лет. Автогенераторы на диодах Ганна широко используются в качестве передатчиков в радиолокаторах ближнего действия,  радиомаяках, приёмоответчиках, линиях радиосвязи  и передачи данных, датчиках скорости, системах охранной сигнализации. Они находят также применение как генераторы накачки, генераторы качающейся частоты, гетеродины. Усилители на диодах Ганна отличаются высокой линейностью амплитудной и фазочастотной характеристик обеспечивают на миллиметровых волнах мгновенную полосу пропускания порядка 40% при коэффициенте шума менее 10дБ.

           Открытие эффекта Ганна оказало благотворное влияние на физику  полупроводников, вызвав буквально лавину работ, посвящённых неустойчивостям в твёрдом теле и кинетическим явлениям в сильных полях. Совершенствование технологии выращивания эпитаксиальных плёнок арсенида галлия позволило автогенераторам и усилителям на диодах Ганна по праву занять место одного из основных твердотельных источников колебаний в диапазонах сантиметровых и особенно миллиметровых волн.

           В настоящее время известно около 400 типов промышленных диодов Ганна, которые нашли применение в твердотельных приборах СВЧ различного назначения.