Диоды Ганна

Диоды Ганна – это функциональные приборы, которые реализуют определённую функцию. В частности диод Ганна реализует функцию генератора СВЧ – колебаний.

Впервые явление было открыто Ганном в 1963 г.

Диод Ганна – это объёмный материал на основе GaAs, который при приложении к нему постоянного напряжения в определённом диапазоне, генерирует СВЧ – колебания.

Рис 1

Причинной возникновения СВЧ – колебаний, является наличие на ВАХ, участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением (ОДС).

Зонная диаграмма и ВАХ GaAs.

GaAs – как полупроводник

Рис 2

Рис 3

Лист

Изм

Лист

№ докум

Подпись

Дата

Эффективная масса m₁^*=0,07m₀ m₁^*=1,2m₀

Подвижность µ₁=600 см²/В_*с µ₂=150 см²/В_*с

По мере роста приложенного напряжения к образцу GaAs дополнительная энергия, которую приобретают электроны, расположенные в основном минимуме (нижняя долина), возрастает и начинает приближаться к энергии междолинного расщепления.

Электрон начинает перебираться из основного минимума к дополнительному (верхняя долина).

Рис 4

Вольт – Амперная Характеристика (ВАХ).

Рис 5

Лист

Изм

Лист

№ докум

Подпись

Дата

В следствии того, что подвижности µ₁ и µ₂ отличаются сильно, на участке ВАХ проявляется участок с ОДП.

Для GaAs – характерные точки между которыми происходит перераспределение Е_а и Е_в

Е_а=3,2 кВ/см Е_в=20 кВ/см

Так как в GaAs энергия расщепления меньше ширины запрещённой зоны E<E_g, то Ев меньше напряжения лавинного пробоя Е_лп (Е_в<Е_лп).

Механизм междолинных переходов приводящих к появлению участка с ОДС, часе всего называют эффектом Ганна.

Такой эффект реализуется в очень малом количестве полупроводников.

Если подвижности µ₁, µ₂ мало отличаются друг от друга, то на ВАХ появляется характеристика без ОДС.

Зарядовая неустойчивость в структурах с ОДС

Рис 7

При выборе рабочей точки на участке ОДС любая зарядовая неустойчивость будет расти. Например, если в какой – то точке увеличивается отрицательный заряд, это приведёт к уменьшению поля слева от него и увеличивается поле справа от него, но при этом ток слева увеличивается, а справа уменьшается. И объёмный заряд будет расти. И это будет происходить до тех пор, пока заряд не вырастет на столько, что поле Е₁ и Е₃ соответствующие одинаковым токам. После этого рост зарядовой неустойчивости прекратится и, но она будет двигаться по образцу.

В момент выхода объёмного заряда из образца возникает скачок тока и ясно, что время пролёта через образец – есть время соответствующее периоду колебаний тока во внешней цепи.

В случае если ВАХ не имеет участка с ОДС, то зарядовая неустойчивость, вызывающая изменение электрических полей, сама по себе рассасывается.

Рис 8

Лист

Изм

Лист

№ докум

Подпись

Дата

Домены сильного электрического поля в диодах Ганна.

Рис 9

Рис 10

В GaAs флуктуации приводят к образованию сильного электрического поля, заряд в котором растёт до тех пор, пока токи слева и справа внутри домена не выровняются. Причём внутри домена будут только тяжёлые электроны, а снаружи вне домена – лёгкие электроны. Этот домен электрического поля также движется по образцу и его разрушение на контактах будет соответствовать появлению колебаний тока в цепи.

Лист

Изм

Лист

№ докум

Подпись

Дата

Временные параметры диодов Ганна.

Q - заряд

- время релаксации относительно носителей.

Если мы находимся на участке ОДС, то будет отрицательной и заряд будет не рассасываться, а формироваться.

- Условие формирования, а не рассасывания заряда

Из них следует

Лист

Изм

Лист

№ докум

Подпись

Дата

 То есть, эта формула

есть условие конструирования диодов Ганна из GaAs.

W=0,1 мм

=10⁷

Статистическая ВАХ GaAs.

 Отсюда следует

Экспериментально установлено, что для GaAs k=4

Лист

Изм

Лист

№ докум

Подпись

Дата

СООТНОШЕНИЕ, ОПИСЫВАЮЩЕЕ ВАХ В ДИОДАХ ГАННА НА ОСНОВЕ GAAS

Рис 11

Лист

Изм

Лист

№ докум

Подпись

Дата