Диод Ганна

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Вольт-амперная характеристика диода Ганна

Диод Ганна (изобретён Джоном Ганном в 1963 году) — тип полупроводниковых диодов, использующийся для генерации и преобразования колебаний в диапазоне СВЧ на частотах от 0,1 до 100 ГГц. В отличие от других типов диодов, принцип действия диода Ганна основан не на свойствах p-n-переходов, т.е. все его свойства определяются не эффектами, которые возникают в местах соединения двух различных полупроводников, а собственными свойствами применяемого полупроводникового материала.

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).

На основе эффекта Ганна созданы генераторные и усилительные диоды, применяемые в качестве генераторов накачки в параметрических усилителях, гетеродинов в супергетеродинных приемниках, генераторов в маломощных передатчиках и в измерительной технике.

При создании низкоомных омических контактов, необходимых для работы диодов Ганна, существуют два подхода.

  • Первый из них заключается в поисках приемлемой технологии нанесения таких контактов непосредственно на высокоомный арсенид галлия.
  • Второй подход заключается в изготовлении многослойной конструкции генератора. В диодах такой структуры на слой сравнительно высокоомного арсенида галлия, служащего рабочей частью генератора, наращивают с двух сторон эпитаксиальные слои относительно низкоомного арсенида галлия с электропроводностью n-типа. Эти высоколегированные слои служат переходными прослойками от рабочей части прибора к металлическим электродам.

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.

На ВАХ полупроводникового прибора наличие падающего участка является не достаточным условием для возникновения в нём СВЧ колебаний, но необходимым. Наличие колебаний означает, что в пространстве кристалла полупроводника возникает неустойчивость волновых возмущений. Но такая неустойчивость зависит от параметров полупроводника ( профиля легирования, размеров, концентрации носителей и т.д.).

При помещении диода Ганна в резонатор возможны другие режимы генерации, при которых частота колебаний может быть сделана как ниже, так и выше пролетной частоты. Эффективность такого генератора относительно высока, но максимальная мощность не превышает 200—300мВт.

Диод Ганна может быть использован для создания генератора в 10 ГГц и выше (ТГц) диапазона частот. А резонатор, который может принимать форму волновода, добавляют для контроля частоты.Частота генераторов на диоде Ганна определяется в основном резонансной частотой колебательной системы с учетом емкостной проводимости диода и может перестраиваться в широких пределах механическими и электрическими методами. Однако срок службы генераторов Ганна относительно мал ,что связано с одновременным воздействием на кристалл полупроводника таких факторов, как сильное электрическое поле и перегрев кристалла из-за выделяющейся в нем мощности.

Диоды Ганна, работающие в различных режимах, используются в диапазоне частот 1-100 ГГц. В непрерывном режиме реальные генераторы на диодах Ганна имеют КПД порядка 2-4% и могут обеспечить выходную мощность от единиц мВт до единиц Вт. Но при переходе в импульсный режим КПД увеличивается в 2-3 раза. Специальные резонансные системы, позволяющие добавить к мощности полезного выходного сигнала некоторые высшие гармоники, служат для увеличения КПД и такой режим называется релаксационным.

Существуют несколько разных режимов, в одном из которых генератор на диоде Ганна может совершать работу, в зависимости от питающего напряжения, температуры, свойства нагрузки: доменный режим, гибридный режим, режим ограниченного накопления объемного заряда и режим отрицательной проводимости.

Наиболее часто используемым режимом является доменный режим, для которого в течение значительной части периода колебаний, характерен режим существования дипольного домена. Доменный режим может иметь три различных вида: пролетный, с задержкой образования доменов и с гашением доменов, которые получаются при изменении сопротивления нагрузки.

Для диодов Ганна был так же придуман и осуществлен режим ограничения и накопления объемного заряда. Его существование имеет место, при больших амплитудах напряжения на частотах, в несколько раз больше пролетной частоты и при постоянных напряжениях на диоде, которые в несколько раз превышают пороговое значение. Однако существуют требования для реализации к данному режиму: нужны диоды с очень однородным профилем легирования.Однородное распределение электрического поля и концентрации электронов по длине образца обеспечивается за счет большой скорости изменения напряжения на диоде.

Наряду с арсенидом галлия и фосфидом индия InP (до 170 ГГц) методом эпитаксиального наращивания, для изготовления диодов Ганна также используетсяи нитрид галлия (GaN) на котором и была достигнута наиболее высокая частота колебаний в диодах Ганна — 3 ТГц. Диод Ганна имеет низкий уровень амплитудных шумов и низкое рабочее напряжение питания (от единиц до десятков В).

Эксплуатация диодов происходит в резонансных камерах представляющие собой в виде микросхем на диэлектрических подложках с резонирующими емкостными и индуктивными элементами, либо в виде комбинации резонаторов с микросхемами.

См. также[править | править вики-текст]

Литература[править | править вики-текст]

  • Н. А. Аваев, Г. Г. Шишкин. Электронные приборы. Издательство МАИ, 1996.
  • С. М. Зи. Физика полупроводниковых приборов (в 2 книгах). М., Мир, 1984, т.2, с.226-269.
  • А. И. Лебедев. Физика полупроводниковых приборов. М., Физматлит, 2008.

Ссылки[править | править вики-текст]