Генераторные диоды. Диод Ганна

Эффект Ганна заключается в том, что в объёме полупроводникового кристалла возникает ВЧ электрические колебания при приложении к электродам диода постоянного напряжения достаточно большой величины.

Диод Ганна представляет собой кристалл арсенида галлия малых размеров, на торцевые грани которого нанесена металлизация, представляющая электроды диода: катод и анод. Возникновение ВЧ электрических колебаний связывают с наличием в объёме кристалла неоднородного участка с отрицательным сопротивлением.

3.1. Физический механизм возникновения колебаний в диоде Ганна.

Известно, что общим условием усиления или генерации колебаний является наличие отрицательного сопротивления (проводимости). В диоде Ганна отсутствует перехода, поэтому возникновение локального отрицательного сопротивления связывают с отрицательной дифференциальной подвижностью электронов в зоне проводимости арсенида галлия: . Подвижность связана с проводимостью: , где v= ,-дрейфовая скорость электрона. Найдём =|n e| –дифференциальная проводимость. , Чтобы получить отрицательную дифференциальную проводимость, нужно чтобы с ростом поля скорость электрона уменьшалась. Преобразуем . Пусть µ зависит от поля, тогда - теперь нужно, чтобы с ростом поля проводимость не просто уменьшалась, а уменьшалась «быстрее», чем растет поле!

Для арсенида галлия удалось объяснить эффект Ганна, благодаря уникальности энергетического строения зоны проводимости.

Зависимость энергии W в зоне проводимости от импульса (mv) частицы имеет два

(двухдолинная модель) минимума, «долины». Эффективная масса электрона во второй, верхней долине больше, чем в первой (главной): здесь

электрона. При одинаковом значении напряжённости электрического поля скорость электронов второй долины будет меньше. В этой области энергий . Это возможно при достаточно большом, приложенном к диоду напряжении, при котором начинается интенсивный переход электронов из первой долины во вторую. Рис.4. Если бы этот процесс происходил в всём кристалле, то удалось бы получить экспериментальную вольт-амперную характеристику с падающим участком (отрицательным сопротивлением). Однако это не удаётся получить. Можно объяснить донное явление локальным характером эффекта.

Доменная неустойчивость.

Пусть орицательная дифференциальная проводимость имеет место в некоторой области образца , напряжённость поля в которой отличается от напряжённости в остальном объёме. Пусть далее в области концентрация донорной примеси несколько меньше, чем в остальной части образца. Экспериментально установлено, что область с отрицательным сопротивлением возникает на каких либо неоднородностях кристалла, если таковых нет, то на границе металл – кристалл.

Увеличение сопротивления на участке приведет к росту падения напряжения и росту напряжённости электрического поля. Если приложенная напряжённость к диоду достаточно высока, то на участке начнется переход электронов из нижней долины в верхнюю, сопровождающийся понижением дрейфовой скоростью. Эти электроны начинают отставать от электронов первой долины, которые уходят далеко вперёд. Таким образам, справа от них будет избыток положительных зарядов. Иначе обстоит дело слева от медленных электронов: электроны первой долины догоняют их образуется избыточный отрицательный заряд. Образовавшийся двойной электрический слой объёмного заряда (рис.5) называют электрическим доменом.

Образование домена означает увеличение напряжённости поля в нём и разности потенциалов на участке, занимаемом доменом. При постоянном приложенном к диоду напряжении, это вызовет снижение падения напряжения вне домена, в том числе и на неоднородности, от которой домен ушел. Образование нового домена, таким образом, не происходит до тех пор, пока домен не дойдёт до анода

Электроны домена уходят во внешнюю цепь, поле в кристалле принимает прежнее значение и процесс повторяется.

Время движения домена от катода к аноду (частота следования импульсов тока) зависит от длины образца, расположения неоднородности, скорости движения домена. Заметим, что скорость домена определяется процессами в образце и не зависит от внешнего напряжения.

Пример: скорость домена=10⁷см/с; длина образца =50мкм; время пролета домена =5·10^–10 с. Получим частоту следования импульсов тока f=2ГГц.

Таким образом, при коротких образцах полупроводников з арсенида галлия можно получить электрические СВЧ–колебания.

Генераторы на диодах Ганна перестраиваются по частоте настройкой резонаторов в широких пределах, позволяют в процессе перестройки переходить с одного режима на другой.

Лавинно-пролётный диод. (ЛПД).

В ЛПД для получения носителей заряда используется ударная ионизация в области перехода при подаче на диод отрицательного смещения. При этом можно создать условия получения отрицательного дифференциального сопротивления, что позволяет использовать ЛПД как генератор и усилитель СВЧ сигналов.

Лавинное умножение носителей заряда в переходе.

Если кинетическая энергия заряда, приобретаемая на «ширине» запрещенной зоны, превышает энергию ионизации данного п/п, то при ударе о нейтральный атом такой заряд вызовёт рождение пары электрон–дырка. При этом сам заряд остаётся свободным. Введём коэффициенты ионизации и –число электронно-дырочных пар, созданных на единице длины пути (1см) электроном и дыркой соответственно. Коэффициенты ионизации сильно зависят от напряжённости электрического поля. Увеличение в 2-3 раза может привести к росту на 4-5 порядков. Практически ударная ионизация наблюдается () при напряжённости поля .B|m

В переходе наблюдается ударная ионизация при обратном напряжении вольт-амперной характеристики. Ударными частицами выступают неосновные носители, образующие обратный ток в переходе Напряжённости поля при наступлении лавинного пробоя достаточно большие.

Генерация СВЧ- колебаний при лавинном пробое была открыта А.С. Тагером в1959 году. Ток через переход при обратном смещении может быть сделан пульсирующим, если наряду с постоянным отрицательным смещением подать синусоидальное напряжение6

+ . В этом случае лавинный пробой (сгусток электронов) будет образовываться лишь за часть периода синусоиды, когда +