Генератор на диоде Ганна

Генератор на диоде Ганна с междолинным переносом электронов или основан на эффекте Ганна: при приложении к образцу проводника постоянного напряжения больше некоторого порогового значения в цепи источник питания – диод – нагрузка возникают импульсы тока.

Диод Ганна является двухполюсным полупроводниковым прибором, обладающим динамическим отрицательным сопротивлением в СВЧ-диапазоне, что позволяет использовать его для генерации и усиления электрических колебаний в СВЧ диапазоне. В отличие от всех прочих полупроводниковых приборов, называемых диодами, диод Ганна имеет однородную полупроводниковую структуру без p-n перехода с невыпрямляющими контактами выводов. Его ВАХ, снятая на постоянном токе, подобна характеристикам обычного резистора. Появление отрицательного сопротивления на определённых частотах обусловлено объёмными явлениями, возникающими при высокой напряжённости электрического поля в некоторых полупроводниковых материалах.

Объяснение эффекта Ганна дает квантовая теория. Используются следующие положения:

- все микрочастицы вещества (электроны, ионы, атомы) занимают строго определенные энергетические уровни, при переходе с уровня на уровень эти частицы поглощают или излучают энергию в виде квантов;

- электроны обладают волновыми свойствами, т.е. имеют длину волны

,

где h – постоянная Планка;

m^* - масса движущегося электрона;

V – скорость движения электрона.

Свойства электрона могут быть разными, в зависимости от энергии уровня на котором он находится: m^* - эффектная масса и подвижность меняются при изменении уровня.

μ=V/E

Большинство электронов при нормальной температуре занимают центральную долину (ЦД). m^*=0,066m, большая подвижность μ=(6…9)×10³ см²/(В×с). В боковой долине (БД) m^*=0,85m, μ=(0,1…0,15)×10³ см²/(В×с).

Наиболее распространённым полупроводником для изготовления диодов Ганна является арсенид галлия. В этом материале электроны в зоне проводимости могут находиться в двух подзонах (долинах). В первой из них, где энергия электронов ниже, они обладают более высокой подвижностью, чем во второй, где энергия электронов высокая. При напряженностях поля ниже критической (Е_КР=1,5 – 4 кВ/см) электроны проводимости находятся в нижней долине, и скорость их дрейфа пропорциональна приложенному напряжению.

При Е > Е_КР происходит «заброс» электронов в верхнюю долину, где увеличение приложенного напряжения уменьшает подвижность электронов, что равносильно уменьшению тока или увеличению сопротивления этой области, т. е. в данной области имеет место отрицательное сопротивление.

Увеличение сопротивления в этой области приводит к перераспределению падения напряжения вдоль полупроводника. В этой области падение напряжения увеличивается, в остальных участках напряжённость поля падает и становится ниже критического.

Домен сильного поля зарождается возле катода – вывода, присоединённого к отрицательному полюсу внешнего источника напряжения. Зародившись, он сразу же начинает дрейфовать с большой скоростью (около 10⁵ м/с) в направлении к аноду, достигнув которого пропадает. При этом напряжённость поля в полупроводниках возрастает, и возле катода зарождается новый домен, и т. д. В результате этих процессов ток, проходящий через полупроводник при напряжениях, создающих поле выше критического, пульсирует (возрастает в моменты исчезновения домена) с периодом, равным времени пробега τ доменом длины кристалла. Значение τ для диодов Ганна из GaAs, в зависимости от расстояния между контактами, составляет 10^-9 – 10^-10 с и менее, что соответствует частотам генерации порядка единиц – десятков ГГц.

Чем больше пороговое напряжение, тем больше слой накопления, но дрейфовая скорость и ток остаются на том же уровне.

Uг – напряжение гашения домена, при котором он рассасываются.

Период колебаний тока (Т) жестко связан с длиной кристалла d:

T=d/V_нас

Для GaAs V_нас≈10⁷см/с, поэтому рабочая частота таких приборов, которые получили название диодов Ганна, или, как их теперь называют ДПЭ работающих в пролетном режиме, равна f_пр=100/d, где f_пр получается в гигагерцах, если d выражена в микрометрах; например, при d=10 мкм, f_пр=10 ГГц.

Подключая к диоду КЦ, можно создать режимы работы диода Ганна.

1. Пролетный режим - режим генерации, при котором в объеме кристалла возникает и перемещается неоднородность пространственного заряда, содержащая не только слой, обогащенный электронами, но и обедненную область, тесно прилегающую к слою накопления заряда. Режим зависит от нагрузки и частоты настройки.

U₀>U_пор, (U₀+U_г)<U_пробоя, (U₀-U_г)>U_пор.

U₀ и R_н выбирают из условий выше.

f_ген=f_пр на эту частоту нужно настроить КЦ.

Данный режим работы неэффективный КПД 1…2%, используется для генерации стандартных сигналов.

2. Режим с гашением домена. При f_ген>f_пр домен будет рассасываться не доходя до анода, т.к. напряжение на кристалле падает ниже порогового ещё до того, как домен достигнет анода, а при U<U_пор существование домена невозможно. U₀ и R_н выбирают такими, чтобы

U₀>U_пор, (U₀+U_г)<U_пробоя, (U₀-U_г)>U_г.

3. Режим с задержкой домена. Если частота генерации f_ген меньше пролетной частоты f_пр, то образование домена задерживается по отношению к моменту рассасывания.

U₀ и R_н выбирают такими, чтобы, (U₀+U_г)<U_пробоя, U₀ <(U₀-U_г)< U_пор. Работают домены и область отрицательного сопротивления. КПД около 7%.

4. Режим с ограниченным накоплением объемного заряда (ОНОЗ). До тех пор, пока U₀<U_пор, избыточный заряд в кристалле возникнуть не может. Как только мгновенное напряжение на диоде достигнет величины U_пор, в кристалле начинает нарастать объемный заряд, однако время нарастания этого заряд ограничено той частью периода колебаний, когда U₀>U_пор, а это время также определяется периодом свободных колебаний резонансного контура.

(U₀+U_г)<U_пробоя, (U₀-U_г)>U_пор