Диоды ганна общие сведения диод ганна. Полупроводниковый диод: детальный обзор

8.1. Общие сведения

Физической основой, позволяющей реализовать такие свойства в диоде, является эффект Ганна , который заключается в генерации высокочастотных колебаний электрического тока в однородном полупроводнике с N образной вольт амперной характеристикой.

Эффект Ганна обнаружен американским физиком Дж. Ганном (J. Gunn) в 1963 г. в кристалле арсенида галлия (GaAs) с электронной проводимостью. Ганн обнаружил, что при приложении электрического поля E (E пор ≥ 2 3 кВ/см) к однородным образцам из арсенида галлия n типа в образце возникают спонтанные колебания тока. Позднее он установил, что при E > E пор в образце, обычно у катода, возникает небольшой участок сильного поля – «домен», дрейфующий от катода к аноду со скоростью ~10 7 см/сек и исчезающий на аноде. Затем у катода формируется новый домен, и процесс периодически повторяется. Моменту возникновения домена соответствует падение тока, текущего через образец. Моменту исчезновения домена у анода – восстановление прежней величины тока. Период колебаний тока приблизительно равен пролетному времени, т.е. времени, за которое домен дрейфует от катода к аноду.

8.2. Требования к зонной структуре полупроводников

Для того, чтобы при переходе электронов между долинами возникало отрицательное дифференциальное сопротивление, должны выполняться следующие требования:

• 
  средняя тепловая энергия электронов должна быть значительно меньше энергетического зазора между побочной и нижней долинами зоны проводимости, чтобы при отсутствии приложенного внешнего электрического поля бόльшая часть электронов находилась в нижней долине зоны проводимости;
• 
  эффективные массы и подвижности электронов в нижней и верхних долинах должны быть различны. Электроны нижней долины должны иметь высокую подвижность μ 1 , малую эффективную массу m 1 * и низкую плотность состояний. В верхних побочных долинах электроны должны иметь низкую подвижность μ 2 , большую эффективную массу m 2 * и высокую плотность состояний;
• 
  энергетический зазор между долинами должен быть меньше, чем ширина запрещенной зоны полупроводника, чтобы лавинный пробой не наступал до перехода электронов в верхние долины.

Из изученных и применяемых полупроводниковых материалов перечисленным требованиям наиболее соответствует арсенид галлия n типа.

Рассмотрим междолинный переход электронов в арсениде галлия. Приложим к однородному образцу из арсенида галлия электрическое поле. Если напряженность поля в образце мала, то все электроны находятся в нижней долине зоны проводимости (в центре зоны Бриллюэна). Поскольку средняя тепловая энергия электронов значительно меньше энергетического зазора между дном верхней и нижней долин зоны проводимости, они не переходят в верхнюю долину (рис. 8.1).

Рис. 8.1. Схематическая диаграмма, показывающая энергию электрона в зависимости от волнового числа в области минимумов зоны проводимости арсенида галлия n типа

Электроны нижней долины имеют малую эффективную массу m 1 * и высокую подвижность μ 1 . Плотность тока, протекающего через образец, определяется концентрацией электронов в нижней долине n 1 (n 1 = n 0 , где n 0 – равновесная концентрация электронов в полупроводнике):

. (8.1)

Увеличим приложенное электрическое поле. С ростом поля возрастает скорость дрейфа электронов. На длине свободного пробега l электроны приобретают энергию eEl , отдавая при столкновениях с фононами кристаллической решетки меньшую энергию. Когда напряженность поля достигает порогового значения E П, появляются электроны, способные переходить в верхнюю долину зоны проводимости.

Дальнейшее увеличение поля приводит к росту концентрации электронов в верхней долине. Переход из нижней долины в верхнюю сопровождается значительным ростом эффективной массы и уменьшением подвижности, что ведет к уменьшению скорости дрейфа. При этом на вольт амперной характеристике образца появляется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением (ОДС) (рис. 8.2).

Рис. 8.2. N образная вольт амперная характеристика: E – электрическое поле, создаваемое приложенной разностью потенциалов; J – плотность тока

Для возникновения отрицательного дифференциального сопротивления необходим одновременный переход большинства электронов из центральной долины в боковую при пороговой напряженности электрического поля (рис. 8.3). Но получить статическую ВАХ, соответствующую сплошной кривой, не удается, так как в кристалле или около невыпрямляющих контактов всегда есть неоднородности, в результате чего возникают локальные напряженности электрического поля, превышающие среднюю напряженность. Превращение в этих местах «легких» электронов в «тяжелые» еще больше увеличивает неоднородность электрического поля. Поэтому практически не получается одновременного перехода большинства электронов в кристалле из центральной долины в боковую и статическая ВАХ остается без участка с ОДС.

Рис. 8.3. Распределение электронов при различных значениях напряженности поля

8.3. Статическая ВАХ арсенида галлия

Продифференцировав уравнение по напряженности электрического поля, получим:

. (8.2)

Тогда условие существования отрицательной дифференциальной проводимости можно записать в виде:

. (8.3)

Предположим, что распределение электронов между долинами выражается следующим образом:

, (8.4)

где k – константа; – напряженность поля, при которой

.

Обозначим также отношение подвижностей в нижнем и верхнем минимумах как константу:

. (8.5)

Предположим, что подвижности μ 1 и μ 2 не зависят от поля и что локальное распределение электронов между минимумами мгновенно следует за изменениями поля как во времени, так и в пространстве. В арсениде галлия, в котором междолинные переходы электронов определяются процессами рассеяния на оптических фононах, эффективное время рассеяния имеет величину 10 -12 сек. Следовательно, для рабочих частот примерно 10 ГГц или ниже междолинные переходы можно считать мгновенными .

Для концентрации n 1 и n 2 можно записать:

; (8.6)

,

где

.

Средняя скорость при данной напряженности поля равна:

На рисунке 8.4 приведена зависимость дрейфовой скорости в зависимости от напряженности электрического поля, рассчитанная по соотношению (8.7) для арсенида галлия.

Рис. 8.4. Зависимость скорости дрейфа от напряженности поля для GaAs

Пороговая напряженность поля E П, при которой начинается участок ОДС, по экспериментальным данным равна ~3,2 кВ/см. Значение подвижности при низких полях равно ~8000 см 2 /В·с, начальное значение дифференциальной отрицательной подвижности ~2400 см 2 /В·с. Напряженность поля, при которой кончается участок ОДС, приблизительно равна 20 кВ/см.
Электронные температуры (T e) в обеих долинах будем считать одинаковыми. Тогда, пользуясь статистикой Максвелла – Больцмана, запишем:

, (8.8)

где m 1 * , m 2 * – эффективные массы в долинах, n 1 , n 2 – концентрации электронов в долинах, M 2 – число верхних долин, M 1 – число нижних долин.

{GaAs: M 1 = 1, M 2 = 4, m 1 * = 0,067m 0 , m 2 * = 0,55m 0 ,

}.

Теперь имеем:

; (8.9)

. (8.10)
Получим выражение для электронной температуры. Воспользуемся условием баланса энергии, приобретаемой электронами в электрическом поле в единицу времени и теряемой в это же время за счет столкновений с фононами :

τ e – время релаксации энергии (~10 -12 с).

. (8.12)

На рисунке 8.5 приведена расчетная зависимость дрейфовой скорости электронов в GaAs при различных температурах, иллюстрирующая влияние температурной зависимости подвижности в обоих минимумах.

Рис. 8.5. Зависимость дрейфовой скорости электронов в GaAs от E при T , K :

1 – 200, 2 – 300, 3 – 350. Кривая 4 – заселенность верхней долины при 300 К

8.4. Зарядовые неустойчивости в приборах с отрицательным дифференциальным сопротивлением

Возникшая избыточная концентрация электронов должна изменяться во времени в соответствии с соотношением:

, (8.13)

представляющим собой закон релаксации основных носителей заряда в полупроводнике.

Если бы в возникшем дипольном домене напряженность электрического поля была меньше E П, то время релаксации Максвелла было бы равно:

. (8.14)

Рис. 8.6. Распределение объемного заряда и напряженности поля в образце при формировании домена сильного поля

На самом деле в области возникшего объемного заряда напряженность поля увеличится и станет больше E П. Следовательно, в выражении для τ М положительную удельную проводимость нужно заменить на удельную отрицательную дифференциальную проводимость

, где – отрицательная дифференциальная подвижность, соответствующая участку вольт-амперной характеристики с отрицательной дифференциальной проводимостью. Таким образом,

. (8.15)

Из формул для Δn (t ) и τ М следует, что в образце с отрицательной дифференциальной проводимостью первоначальная тепловая флуктуация концентрации электронов должна не убывать с ростом t , а увеличиваться, так как

.

Этот факт объясняется следующими обстоятельствами. В области дипольного объемного заряда напряженность электрического поля возрастет и станет больше порогового значения, а в остальной части образца E слегка уменьшится и станет меньше E П, так как напряжение, подаваемое на образец, поддерживается постоянным. В результате этого дрейфовая скорость электронов и плотность тока в области существования объемного заряда уменьшатся, а в остальной части образца изменятся незначительно. Это приведет к дальнейшему увеличению концентрации электронов в левой части объемного заряда (за счет их подтока от катода) и концентрации нескомпенсированных доноров в правой части за счет ухода быстрых электронов от правой границы к аноду. Этот процесс прекратится и дипольный слой достигнет стабильной конфигурации, когда плотность тока внутри и вне его станет одинаковой и будет соответствовать точкам вольт амперной характеристики, лежащим вне участка отрицательной дифференциальной проводимости (например, точкам E = E В и E = E Д) (рис. 8.7).

Рис. 8.7. ВАХ диода Ганна

Спад силы тока в цепи при формировании домена сильного поля обусловлен резким уменьшением подвижности электронов в нем и, следовательно, увеличением сопротивления образца. Наиболее стабильное состояние домена соответствует минимальной мощности, потребляемой образцом от источника питания, т.е. когда плотность тока в образце имеет наименьшее возможное значение – J min . Тогда максимальная напряженность поля внутри домена сильного поля будет равняться E Д, а вне его – E В. Ширину или толщину домена (d Д.М.) можно оценить исходя из того, что падение напряжения на образце до и после образования домена одно и то же, т.е.

где исходная напряженность поля E И = E П,

W – длина образца.

. (8.17)

Распределение напряженности электрического поля в домене зависит от концентрации электронов в данном образце. При больших n 0 максимум E располагается в центре домена и зависимость E от x имеет симметричный вид. Если n 0 мало, то кривая

принимает форму, близкую к прямоугольному треугольнику.

В процессе формирования и после его окончания дипольный домен дрейфует от катода к аноду. Если предположить, что домен возникает у катода за счет неоднородности в распределении примеси, то за время пролета

, (8.18)

где – средняя скорость дрейфа домена, домен достигнет анода и исчезнет. После этого в образце восстановится однородное распределение поля и первоначальное (до формирования домена) значение тока. Затем за счет тепловой флуктуации у катода начнет формироваться следующий домен и т.д. Периодически повторяющиеся процессы формирования домена у катода и рассасывания его у анода приведут к соответствующему изменению сопротивления образца и силы тока.

Для того, чтобы первоначальная тепловая флуктуация концентрации электронов заметно возросла, необходим интервал времени, превосходящий τ М. Следовательно, периодическое изменение силы тока через образец будет возникать лишь в том случае, когда

или

. (8.19)

Это неравенство называют критерием Кремера .

Для арсенида галлия и фосфида индия

см -2 .

Режим работы диода Ганна на эффекте междолинного перехода электронов, при котором выполняется неравенство

см -2 , (8.20)

называется пролетным режимом. Для его реализации необходимо включить диод в параллельную резонансную цепь, например, в СВЧ генератор с высокой добротностью, настроенный на пролетную частоту (

). В пролетном режиме на кривой зависимости тока от времени будут наблюдаться резкие всплески, если длина образца значительно превышает ширину домена (рис. 8.8). Для получения формы колебаний тока, близкой к синусоидальной, необходимо уменьшать длину образца или увеличивать ширину домена. Ширину домена можно увеличить, уменьшая концентрацию электронов (n 0) в образце.

Рис. 8.8. Зависимость тока от времени при работе диода Ганна в пролетном режиме

При работе диода в резонаторе к нему кроме постоянного внешнего смещения оказывается приложенным также СВЧ поле, возникающее в резонаторе за счет колебаний тока, протекающего через диод. Предположим, что СВЧ поле меняется во времени по гармоническому закону, а резонатор настроен на частоту выше пролетной (

). Тогда при достаточно большой амплитуде СВЧ-поля дипольный домен в образце может рассосаться, не доходя до анода. Для этого необходимо, чтобы в полупериод, когда векторы напряженности постоянного и СВЧ-поля противоположны, суммарная напряженность поля была бы меньше E П, а длительность полупериода была бы больше τ М, соответствующего положительной подвижности. С точностью до численного коэффициента последнее условие можно записать так:

, или

. (8.21)

Для GaAs и InP

с/см 3 . Полученное неравенство является условием реализации режима работы диода с подавлением домена. В этом режиме в каждый «положительный» полупериод СВЧ поля в диоде E > E П и у катода зарождается домен, а в каждый «отрицательный» полупериод он рассасывается на пути к аноду. Таким образом, генерация переменного тока в этом случае происходит на частоте, определяемой параметрами резонансной цепи.

Если обеспечить одновременное выполнение двух неравенств:

, (8.22)

то диод Ганна будет работать в режиме ограниченного накопления объемного заряда (ОНОЗ). Для GaAs и InP

с/см 3 . Поскольку в полученном неравенстве период СВЧ сигнала меньше τ М, соответствующего отрицательной дифференциальной подвижности, то в полупериод, когда E > E П, домен сильного поля не успевает полностью сформироваться, а в следующий полупериод (E E П) он полностью рассасывается. При этом будет наблюдаться возрастание сопротивления образца в один полупериод СВЧ сигнала и спад его в другой, что вызывает эффективную генерацию мощности на частоте, определяемой параметрами внешней цепи.

8.5. Генерация СВЧ колебаний в диодах Ганна

Выходная непрерывная мощность генераторов Ганна в пролетном режиме обычно составляет десятки – сотни милливатт, а при импульсной работе достигает сотен ватт.

Рабочая частота в пролетном режиме обратно пропорциональна длине или толщине высокоомной части кристалла (

). Связь между генерируемой мощностью и частотой можно представить в виде:

. (8.23)

Мощность генерируемых СВЧ-колебаний зависит от полного сопротивления z или от площади рабочей части высокоомного слоя полупроводника. Приведенное соотношение указывает на то, что ожидаемое изменение мощности с частотой пропорционально

.

Верхний предел рабочей частоты диодов Ганна составляет сотни гигагерц (рис. 8.10). Генераторы Ганна из арсенида галлия могут генерировать СВЧ-колебания от 1 до 50 ГГц. Несколько бóльшие частоты получены на генераторах Ганна из фосфида индия в связи с бóльшими значениями максимальных скоростей электронов, но качество приборов из этого материала значительно ниже из-за недостаточной отработки технологии изготовления материала. Преимущество фосфида индия перед арсенидом галлия – большее значение пороговой напряженности электрического поля (10,5 и 3,2 кВ/см соответственно). Это должно позволить создать генератор Ганна с бóльшей выходной мощностью. Для создания бóльших частот генерируемых колебаний представляют интерес тройные соединения GaInSb, так как в них велики дрейфовые скорости электронов.

Рис. 8.10. Примеры характеристик диодов Ганна

Эффект Ганна наблюдается, помимо GaAs и InP, в электронных полупроводниках CdTe, ZnS, InSb, InAs и др., а также в Ge с дырочной проводимостью.

Коэффициент полезного действия генераторов Ганна может быть различным (от 1 до 30 %), так как технологии изготовления приборов и качество исходного полупроводникового материала существенно различаются.

В связи с возможным наличием в кристалле генератора Ганна нескольких неоднородностей зарождение домена может происходить в различные моменты времени на разном расстоянии от анода. Поэтому частота колебаний будет изменяться, т.е. могут возникать частотные шумы. Кроме частотных шумов в генераторах Ганна существуют амплитудные шумы, основной причиной появления которых являются флуктуации в скоростях движения электронов. Обычно амплитудные шумы в генераторах Ганна малы, так как дрейфовая скорость в сильных электрических полях, существующих в этих приборах, насыщена и слабо изменяется при изменении электрического поля.

Важным для практического применения генераторов Ганна является вопрос о возможности их частотной перестройки в достаточно широком диапазоне. Из принципа действия генератора Ганна ясно, что частота его должна слабо зависеть от приложенного напряжения. С увеличением приложенного напряжения несколько возрастает толщина домена, а скорость его движения изменяется незначительно. В результате при изменении напряжения от порогового до пробивного частота колебаний увеличивается всего на десятые доли процента.

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.

Как известно диод – это двухвыводной полупроводниковый радиоэлектронный компонент, обладающий нелинейной вольт-амперной характеристикой (ВАХ). Это позволяет электрическому току течь только в одном направлении, при котором его сопротивление при прямом смещении очень мало (почти нулевое). И на оборот, в другом направлении нелинейная ВАХ не позволяет протекать току, так как она предполагает очень высокое сопротивление (бесконечно большое) при обратном смещении.

Диоды делятся на различные типы в зависимости от их характеристик и принципа работы. Они включают в себя обычный диод, диод Шоттки, диод Шокли, токоограничивающий диод, стабилитрон, светодиод, фотодиод, туннельный диод, варактор, лазерный диод, pin диод, элемент Пельтье, диод Ганна, и так далее.

В данной статье мы подробно рассмотрим принцип работы диода Ганна , характеристики и применение диода Ганна на практике.

Что такое диод Ганна?

Диод Ганна принято рассматривать как один из видов диода, не смотря на то, что он фактически не имеет типичного для диода pn-перехода. Его еще называют прибором с объемной неустойчивостью.

Диод Ганна имеет отрицательное дифференциальное сопротивление и поэтому его часто применяют в качестве генератора малой мощности для формирования микроволн. Он состоит из полупроводника N-типа, в котором электроны являются основным носителем заряда. Для генерации коротких радиоволн, таких как сверхвысокие частоты (СВЧ) используют эффект Ганна.

Структура Диода Ганна

Центральная область, показанная на рисунке ниже - это активная область, которая представлена низколегированным слоем арсенида галлия (GaAs). С обеих сторон активной области наращиваются эпитаксиальные слои высоколегированного GaAs (N-типа) с толщиной примерно от 8 до 10 микрометров.

Активная часть зажата между двумя зонами имеющие омические контакты. Это позволяет обеспечить эффективный теплоотвод, помогающий избежать перегрева и преждевременного выхода диода из строя.

Эффект Ганна

Эффект Ганна был открыт Джоном Ганном в 1960-х годах. После его экспериментов на основе GaAs (Арсенид галлия), он обратил внимание на помехи, возникшие в результате этих опытов. Далее он использовал это для генерации электрических колебаний в диапазоне сверхвысоких частот в устойчивом электрическом поле, величиной больше чем пороговое значение.

Этот эффект Ганна можно определить как генерация СВЧ (частоты порядка нескольких ГГц) возникающая всякий раз, когда напряжение, прикладываемое к полупроводниковому прибору превышает его критическое пороговое значение.

Характеристики Диода Ганна

На графике ниже показана вольт-амперная характеристика диода Ганна в его отрицательной области сопротивления. Эта характеристика похожа на характеристику туннельного диода. Как видно из графика изначально по мере увеличения напряжения на диоде происходит увеличение тока, но после достижения определенного уровня напряжения (порогового значения), ток начинает уменьшаться. Та область, где ток падает, называется область отрицательного сопротивления.

СВЧ генератор на диоде Ганна

Диод Ганна используются для построения генераторов микроволн с частотами в диапазоне от 10 ГГц до ТГц. Это устройство, имеющее отрицательное дифференциальное сопротивление (NDR -Negative Differential Resistance) – также называемого как прибор переноса электронов - является колебательным контуром, состоящий из диода Ганна и подаваемого на него постоянного напряжения смещения (в области отрицательного сопротивления).

Благодаря этому, суммарное дифференциальное сопротивление цепи становится равным нулю, так как отрицательное сопротивление диода сокращается при положительном сопротивлении цепи, что приводит к возникновению колебаний.

Диод Ганна - принцип работы

Этот диод сделан из цельного куска полупроводника N-типа, такого как Арсенид Галлия (GaAs) или Фосфид Индия (InP). Диод Ганна состоит из трех энергетических областей, и эта дополнительная третья область на начальном этапе пуста.

Электроны из зоны проводимости, имеющие ничтожно малое , перемещаются в третью область, поскольку они рассеиваются от приложенного к диоду напряжения. Третья область из GaAs имеет подвижность, которая меньше, чем в зоне проводимости.

Из-за увеличения прямого напряжения увеличивается напряженность поля (приложенное напряжение превышает пороговое значение напряжения), вследствие чего электроны достигают состояния, при котором их эффективная масса увеличивается, а скорость уменьшается, что приводит в конечном итоге к снижению тока.

Следовательно, если напряженность поля увеличивается, то скорость дрейфа будет уменьшаться, при этом создается отрицательное добавочное сопротивление в VI зоне. Таким образом, увеличение напряжения увеличит сопротивление, путем возникновения на катоде так называемого домена сильного поля, который движется и достигает анода.

При достижении анода, домен разрушается, и ток вновь возрастает. При поддержании постоянного значения напряжения, на катоде вновь будет возникать новый домен и все повторится вновь. Частота повторения этого процесса связана с толщиной слоя полупроводника (GaAs), и чем больше его толщина, тем меньше частота повторений.

Применение диода Ганна

Диод Ганна используется в следующих областях:

• в генераторах Ганна для генерации частот в диапазоне от 5 ГГц до 35 ГГц на выходе. Генератор Ганн используются в радиосвязи, в военных и коммерческих радиолокационных установках.
• в железнодорожной сфере в качестве датчиков для выявления нарушителей, в целях предотвращения крушения поездов.
• в качестве эффективных генераторов СВЧ в диапазоне частот до сотен ГГц.
• в детекторах дистанционного измерения вибраций и измерении скорости вращения в тахометрах.
• в качестве СВЧ генератора тока (импульсный генератор на диоде Ганна).
• в передатчиках СВЧ для генерации СВЧ-радиоволн при очень малых мощностях.

А так же в датчиках открывания дверей, устройствах управления процессами, охрана периметра, системы безопасности пешеходов, датчиках уровня, в датчиках измерения влажности и в охранных системах.

Для генерации сигналов в диапазоне СВЧ могут использоваться полупроводниковые диоды различного типа. Физические эффекты, лежащие в основе работы генераторных диодов, были открыты относительно недавно (50-е...60-е годы XX века) и в настоящее время продолжают активно исследоваться с целью разработки более совершенных приборов. Тем не менее, в основе работы всех генераторных диодов лежит один основной критерий — достижение, при определенных внешних условиях и параметрах сигнала, отрицательного дифференциального сопротивления диода на рабочей частоте. Следует отметить, что некоторые из генераторных диодов при включении в определенных режимах могут использоваться и для усиления СВЧ сигналов. Существует два основных типа генераторных диодов — лавинно-пролетные диоды и диоды Ганна .

Отрицательную дифференциальную проводимость (или обратную ей величину — отрицательное дифференциальное сопротивление ), обусловленную \(N\)- и \(S\)-образным видом вольт-амперной характеристики электронного прибора, называют статической дифференциальной отрицательной проводимостью (сопротивлением ). Однако в ряде случаев приходится сталкиваться с ситуацией, когда электронный прибор обладает статической вольт-амперной характеристикой, у которой дифференциальная проводимость повсюду положительна, но для переменных составляющих напряжения определенной частоты она может стать отрицательной. Такая отрицательная проводимость, проявляющаяся лишь для переменных составляющих тока и напряжения, притом в определенном интервале частот, называется динамической отрицательной проводимостью .

Для арсенида галлия (GaAs), фосфида индия (InP) и некоторых других полупроводниковых материалов характерна зависимость средней дрейфовой скорости электронов от напряженности приложенного электрического поля. Особенность этой зависимости — наличие участка отрицательной крутизны. Эффект генерации колебаний СВЧ, обусловленный статической отрицательной проводимостью полупроводника со сложным (многодолинным) строением зоны проводимости, получил название эффекта Ганна . В основе эффекта Ганна лежит так называемый междолинный электронный переход .

Диод Ганна

Диод Ганна — это устройство из полупроводникового материала, имеющего сложную структуру зоны проводимости (обычно это арсенид галлия электронной электропроводности), с двумя омическими контактами на противоположных гранях, работающее на основе эффекта Ганна (рис. 2.8‑6). Активная часть диода Ганна обычно имеет длину порядка \(l\) = 1...100 мкм и концентрацию легирующих донорных примесей \(n\) = 10 14 ...10 16 см -3 . Слои полупроводника с повышенной концентрацией примесей служат для создания омических контактов. Типичные значения диаметра кристалла \(d\) = 50...250 мкм. Таким образом, диод Ганна — это полупроводниковый прибор с двумя электродами, не содержащий \(p\)-\(n\)-переходов, т.е. все его свойства полностью определяются собственными свойствами применяемого полупроводникового материала, а не эффектами, возникающими в местах соединения различных полупроводников.

Рис. 2.8-6. Структура диода Ганна

Как было указано выше, в основе работы диода Ганна лежит сложное строение зоны проводимости полупроводника. Эта зона имеет несколько расположенных достаточно близко друг к другу областей или долин (рис. 2.8‑7). Электроны, поподающие в ту или иную долину зоны проводимости, хотя и равноправны с точки зрения участия в процессе прохождения тока через полупроводник, однако, обладают некоторыми отличиями, влияющими на характер проводимости.

Рис. 2.8-7. Зонная структура арсенида галлия (GaAs)

При малой напряженности электрического поля большинство электронов проводимости концентрируется в центральной долине зоны проводимости. С увеличением напряженности поля их дрейфовая скорость быстро растет. Темп роста дрейфовой скорости определяется подвижностью электронов. Когда энергия электронов достигает определенной величины, при некотором пороговом значении напряженности электрического поля (\(E_{пор}\)) происходит их интенсивный переход в одну из боковых долин. Находящиеся в боковой долине электроны обладают большей эффективной массой (\(m^*\)) и, следовательно, их подвижность меньше подвижности электронов центральной долины (\(\mu_2 < \mu_1\)). Т.е. в результате перехода большого количества электронов в боковые долины уменьшается их средняя подвижность, а следовательно и средняя дрейфовая скорость. График зависимости средней дрейфовой скорости от напряженности электрического поля в полупроводнике представлен на рис. 2.8‑8.

Рис. 2.8-8. Зависимость средней дрейфовой скорости электронов от напряженности электрического поля в GaAs

Как видно из графика, вблизи значения пороговой напряженности поля происходит переход от прямой, соответствующей подвижности “быстрых” электронов центральной долины (\(\mu_1\)), к прямой, соответствующей подвижности “медленных” электронов боковых долин (\(\mu_2\)). Этот переход осуществляется на участке AB, где зависимость \(\nu \left(E \right)\) обладает отрицательной производной. Это возможно только тогда, когда переход электронов из одной долины в другую будет достаточно резким. Поскольку ток пропорционален скорости частиц, а напряжение, прикладываемое к полупроводнику, пропорционально электрическому полю, то такой же \(N\)-образный вид будет иметь и статическая вольт-амперная характеристика прибора (рис. 2.8‑9), некоторые незначительные отличия объясняются неустойчивостью распределения электрического поля в диоде Ганна.

Рис. 2.8-9. Статическая вольт-амперная характеристика диода Ганна

Наличие падающего участка на ВАХ полупроводникового прибора является необходимым, но не достаточным условием для возникновения в нем СВЧ колебаний (эффект Ганна). Появление таких колебаний означает, что в пространстве кристалла полупроводника возникает неустойчивость волновых возмущений. Но условия для такой неустойчивости во многом зависят от параметров полупроводника (концентрации носителей, профиля легирования, размеров и т.д.).

В общем случае, основным условием возникновения неустойчивости является выполнение т.н. правила Кремера , которое заключается в том, что произведение концентрации носителей зарядов на длину активной части полупроводника должно превышать некоторое пороговое значение (\(N \cdot l > {const}_{пор}\)). При этом в области отрицательной дифференциальной проводимости равномерное распределение поля в объеме полупроводника неустойчиво. За весьма малое время оно становится неравномерным — вдоль оси действия поля возникают области с повышенной напряженностью. Поскольку в области сильного электрического поля скорость электронов уменьшается, то со стороны катода к области сильного поля начнет примыкать отрицательный объемный заряд (слой накопления ), обусловленный догоняющими эту область “быстрыми” электронами с высокой подвижностью, а с другой стороны области сильного поля образуется положительный заряд ионов, возникающий на месте обгоняющих область сильного поля “быстрых” электронов (слой обеднения ). Области отрицательного и положительного зарядов образуют дипольный слой, называемый доменом сильного поля или просто доменом (рис. 2.8‑10).

Рис. 2.8-10. Домен сильного поля в диоде Ганна

В зависимости от ряда факторов развитие неустойчивости в области отрицательного дифференциальной проводимости приводит либо к установлению постоянного во времени пространственно неоднородного распределения электрического поля, характеризующегося наличием статического домена, либо к периодическим пульсациям поля в пространстве и во времени, связанным с возникновением и исчезновением движущихся доменов, что сопровождается периодическим изменением тока во внешней цепи.

Начало домену дает случайное повышение концентрации электронов в окрестности некоторой точки. Учитывая специфику изготовления и профиль легирования конкретных диодов Ганна (рис. 2.8‑11), критическая напряженность поля будет возникать вблизи контактов, где имеются различные дефекты кристаллической решетки.

Таким образом, домен обычно формируется у катода и движется к аноду со скоростью, равной дрейфовой скорости электронов (для арсенида галлия ~10 5 м/с). Достигнув анода, домен втягивается в него. Значительная часть напряжения, приложенного к образцу, падает на домене; вне домена напряженность поля намного меньше пороговой, и флуктуации заряда развиваться не могут, т.е. как правило в объеме полупроводника возникает только один домен сильного поля. В то время, как один домен исчезает на аноде, на катоде зарождается новый домен, и в цепи нагрузки генерируются короткие импульсы. Расстояние между импульсами равно времени пролета домена через рабочую область диода.

Рис. 2.8-11. Профиль легирования диода Ганна (пример)

В зависимости от параметров кристалла, свойств нагрузки, температуры и питающего напряжения, генератор на диоде Ганна может работать в одном из нескольких существенно отличающихся режимов:

• доменные режимы:
  • пролетный,
  • с задержкой образования доменов,
  • с гашением доменов;
• гибридные режимы;
• режим ограниченного накопления объемного заряда;
• режим отрицательной проводимости.

Наиболее изученными и используемыми являются доменные режимы работы генератора на диоде Ганна . Для этих режимов характерно существование сформировавшегося дипольного домена в течение значительной части периода колебаний. Изменяя сопротивление нагрузки, можно получить три различных доменных режима: пролетный , с задержкой домена , с гашением домена .

Пролетный режим имеет место при малом значении сопротивления нагрузки (\(R_н \approx R_д\)), когда амплитуда колебаний напряжения на диоде мала и не оказывает заметного влияния на процессы образования и движения доменов. Распределение электрического поля в различные моменты времени, а также формы напряжения и тока диода, характерные для пролетного режима изображены на рис. 2.8-12, 2.8-13.

Рис. 2.8-12. Распределение электрического поля по длине диода Ганна в различные моменты времени при работе в пролетном режиме

Рис. 2.8-13. Зависимость напряжения и тока диода Ганна от времени в пролетном режиме

Как видно из рис. 2.8-13, мгновенное напряжение в пролетном режиме всегда больше порогового значения \(U_{пор}\). Это одно из главных условий существования пролетного режима.

Частота генерируемых в пролетном режиме колебаний (пролетная частота ) определяется в основном толщиной активной области кристалла (временем пролета доменов от катода к аноду): \(f_{пр} = 1/t_{пр}\). Она практически не зависит от параметров внешней цепи, которая только выделяет первую гармонику из спектра колебаний тока диода. С повышением питающего напряжения \(f_{пр}\) несколько падает из-за уменьшения скорости движения доменов.

Коэффициент полезного действия генератора на диоде Ганна в пролетном режиме очень не высок (~5%). Поэтому на практике этот режим используется редко — предпочтение отдается другим более эффективным режимам.

Режим с задержкой образования доменов реализуется, когда диод Ганна нагружен на параллельный резонансный контур, входное сопротивление (\(R_н\)) которого достаточно велико. Главная особенность этого режима состоит в том, что часть периода колебаний напряжение на диоде падает ниже порогового значения \(U_{пор}\). При этом, в отличие от пролетного режима, появляется возможность эффективно управлять частотой колебаний, изменяя параметры внешней цепи. На рис. 2.8-14 приведено распределение электрического поля в различные моменты времени, а на рис. 2.8-15 формы напряжения и тока диода, характерные для режима с задержкой образования доменов.

Рис. 2.8-14. Распределение электрического поля по длине диода Ганна в различные моменты времени при работе в режиме с задержкой образования доменов

Рис. 2.8-15. Зависимости напряжения и тока диода Ганна от времени в режиме с задержкой образования доменов

Специфической особенностью данного режима является то, что домен достигает анода в такой момент времени, когда напряженность электрического поля в полупроводнике оказывается ниже порогового значения, т.е. образование нового домена на катоде невозможно. Новый домен образуется только после того, как мгновенное значение напряжения на диоде превысит пороговое.

Существенно, что задержка образования доменов зависит от параметров внешней цепи генератора, изменяя которые можно изменять период колебаний в диоде. Возможная частота генерации в режиме с задержкой образования доменов ниже пролетной частоты диода и лежит в пределах от \(f_{пр}/2\) до \(f_{пр}\). Максимальнй КПД в этом режиме равен приблизительно 7% и достигается при \(f \approx 0,8 \cdot f_{пр}\), \(R_н \approx 10 \cdot R_д\). При чрезмерном уменьшении \(R_н\) режим с задержкой образования доменов вырождается в пролетный режим, а при увеличении \(R_н\) — в режим с гашением доменов.

Режим с гашением доменов имеет место, когда в процессе движения домена к аноду мгновенное значение напряжения на диоде Ганна становится меньше некоторого граничного значения (напряжения гашения доменов , \(U_{гаш} < U_{пор}\)). В этом случае домен быстро рассасывается и рабочая точка переходит на восходящую ветвь ВАХ. Импульсы тока в данном режиме имеют очень сильное отклонение от гармонического вида, что уменьшает мощность 1-й гармоники. Поэтому максимальный КПД в режиме с гашением домена оказывается приблизительно в 2,5 раза меньше, чем в режиме с задержкой домена, а оптимальное сопротивление нагрузки приблизительно в 4 раза больше. Частота колебаний в режиме с гашением домена может быть как больше, так и меньше пролетной и поддается перестройке внешним контуром. Практика работы с генераторами на диодах Ганна показывает, что рабочая частота в этом режиме может лежать в пределах от \(0,6 \cdot f_{пр}\) до \((1,5...2) \cdot f_{пр}\).

Доменные режимы реализуемы, как правило, только на достаточно низких частотах (\(f \approx\) 1...5 ГГц). При повышении частоты в диоде начинают сказываться некоторые не упоминавшиеся выше физические процессы. В частности, время формирования домена для арсенида галлия при типовом уровне легирования составляет порядка 0,5\(\cdot\)10 -10 с. Поскольку уже при частоте порядка 10 ГГц это время превышает половину периода колебаний, в генераторах на диодах Ганна сантиметровых и миллиметровых волн используются другие режимы.

Режим ограниченного накопления объемного заряда (ОНОЗ) основан на предотвращении формирования домена путем использования инерционности данного процесса. Здесь, как и в двух предыдущих режимах, диод Ганна нагружается на параллельный контур, у которого \(R_н \gg R_д\). Рабочая частота, напряжение питания и амплитуда колебаний выбираются настолько большими, чтобы напряжение на диоде Ганна перескакивало через всю область отрицательной дифференциальной проводимости за время, малое по сравнению со временем формирования домена. В результате поле внутри диода равномерно распределяется вдоль длины его активной части, а динамическая вольт-амперная характеристика диода полностью совпадает по форме с зависимостью скорости дрейфа от напряженности поля.

Для реализации режима ОНОЗ требуются специальные диоды Ганна со строго однородным профилем легирования (иначе ускоряется формирование домена). Частота генерации в таком режиме полностью определяется настройкой колебательной системы и никак не связана с пролетной частотой диода. Это позволяет увеличивать толщину активной области диода Ганна, сохраняя требуемое значение полного сопротивления диода при повышении частоты или увеличении площади поперечного сечения кристалла. В итоге импульсная мощность, которую может отдавать диод Ганна в режиме ОНОЗ, оказывается на 2-3 порядка больше мощности любых других твердотельных источников колебаний. Максимальный КПД в этом режиме приближается к 15...17% и достигается при \(R_н \approx {(20...30)} \cdot R_д\).

Гибридными режимами называют все режимы промежуточные между ОНОЗ и чисто доменными. От режима ОНОЗ гибридные режимы отличает существование в течение части периода колебания достаточно большого неравновесного пространственного заряда, обычно имеющего вид одного или нескольких дипольных доменов. Однако время формирования пространственного заряда здесь все таки достаточно велико по сравнению с периодом колебаний, и он начинает оказывать существенное влияние на протекающий через прибор ток только тогда, когда мгновенное напряжение на нем, превысив пороговое значение, пройдет основную часть падающего участка ВАХ. В гибридных режимах достигается КПД порядка 15%.

Режим отрицательной проводимости имеет очень важное значение. Отличительная особенность этого режима — наличие статического домена сильного поля, определяющего свойства диода. В зависимости от того, выполняется ли для применяемого кристалла полупроводника описанное выше условие существования движущихся доменов (произведение концентрации носителей зарядов на длину активной части полупроводника должно превышать некоторое пороговое значение) различают два случая режима отрицательной проводимости.

Первый случай имеет место для кристаллов, где существование движущихся доменов невозможно. При включении во внешнюю цепь такой диод Ганна образует отрицательную проводимость на пролетной частоте и ее гармониках. Однако на практике он используется крайне редко.

Больший интерес представляет второй случай. Он соответствует так называемому “сверхкритическому” легированию, когда условие существования движущихся доменов выполняется. Диод Ганна, переведенный в такой режим, проявляет отрицательную проводимость в достаточно широком диапазоне частот. Это позволяет использовать его для построения широкополосных регенеративных усилителей с полосой пропускания порядка октавы, которые при достаточно большом возбуждении отдают в нагрузку такую же мощность, как и в автоколебательном режиме. Коэффициент усиления при малом сигнале может достигать 10...20 дБ, а коэффициент шума — порядка 10 дБ.

Происхождение отрицательной проводимости диода обусловливается инерционностью статического домена. При изменении мгновенного напряжения на кристалле домен перестраивается не сразу. При достаточно высокой частоте внешнего сигнала запаздывание превышает четверть периода колебания и возникает противофазная компонента тока, т.е. происходит подкачка мощности этого колебания. При увеличении сопротивления нагрузки усилитель становится автогенератором.

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 милливатт до единиц ватт. При переходе в импульсный режим КПД увеличивается в 2...3 раза. Максимально возможное значение выходной мощности в этом режиме составляет десятки ватт. Для увеличения КПД генераторов используются также специальные резонансные системы, которые позволяют добавить к мощности полезного выходного сигнала некоторые высшие гармоники. Такие режимы называются релаксационными .

К основным параметрам диода Ганна относятся: рабочий диапазон частот, минимальная непрерывная выходная мощность генерируемого сигнала в рабочем диапазоне частот, рабочий ток диода, сопротивление диода и др. (таб. 2.8‑1).

Лавинно-пролетный диод (ЛПД)

Лавинно-пролетный диод (ЛПД) предназначен для генерации СВЧ колебаний на основе эффекта динамического отрицательного дифференциального сопротивления, возникающего в результате ударной ионизации атомов полупроводника при лавинном пробое. Его работа основана на том, что в режиме лавинного пробоя в полупроводниковых диодах возникающие под влиянием переменного поля изменения потока носителей заряда через диод запаздывают на столько, что большая часть носителей движется во время действия тормозящей полуволны СВЧ поля и отдает ему часть энергии, полученной от постоянного поля. Впервые генерация наблюдалась на германиевых обратно смещенных диодах, имеющих резкий излом вольт-амперной характеристики. Далее были созданы кремниевые, арсенид-галлиевые и фосфид-индиевые лавинно-пролетные диоды.

Лавинно-пролетный диод может быть реализован в виде однопереходной \(p\)-\(n\)-структуры, представленной на рис. 2.8-16 (диод Тагера ). Его особенностью является достаточно широкий и плавный переход между \(p\)- и \(n\)-областями. Работа диода происходит в области обратных смещений.

Рис. 2.8-16. Структура лавинно-пролетного диода и распределение электрического поля в нем

Как видно из рис. 2.8-16, где представлено распределение электрического поля в диоде при обратном смещении, электрическое поле в приконтактной области достигает максимума. По мере увеличения обратного напряжения область перехода, в котором отсутствуют подвижные носители, увеличивается. Напряженность электрического поля в нем возрастает. Электрон (или дырка), ускоренные электрическим полем на длине свободного пробега в области \(p\)‑\(n\)‑перехода, при соударении с атомом могут разорвать одну из валентных связей этого атома. В результате рождается новая пара электрон-дырка и процесс повторяется под действием теперь уже этих носителей и т.д. Суммарный ток через переход оказывается большим, чем в отсутствие ионизации. Когда поле в приконтактной области достигает некоторой критической величины, начинается интенсивный процесс ударной ионизации кристалла подвижными носителями заряда, приводящий к лавинному умножению числа носителей и образованию новых электронно-дырочных пар. Ток в цепи диода будет ограничиваться лишь внешним сопротивлением.

Ударная ионизация резко возрастает с ростом напряженности электрического поля. Поэтому область, где происходит рождение носителей заряда, ограничена более или менее узким слоем — слоем умножения , расположенным в приконтактной области, где поле максимально. Образованные в слое умножения носители дрейфуют под воздействием сильного электрического поля к границе нейтрального полупроводника: дырки — через \(p\)-слой, электроны — через \(n\)-слой. Так как напряженность электрического поля в большей части перехода весьма велика, то скорость дрейфа носителей заряда практически постоянна, не зависит от поля и равна скорости насыщения. Таким образом, обратно смещенный \(p\)-\(n\)-переход при напряжении близком к пробивному представляет собой промежуток, в котором роль катода играет слой умножения, а роль пролетного пространства — остальная часть перехода. Эмиссия катода носит ярко выраженный полевой характер, так как ток, выходящий из слоя умножения, возрастает или убывает в зависимости от напряженности электрического поля в самом слое.

Лавинная природа тока эмиссии обусловливает его инерционность. Для развития лавины требуется определенное время, так что мгновенное значение электрического поля определяет не величину лавинного тока, а скорость его изменения. Поэтому изменение тока эмиссии не следует мгновенно за изменением электрического поля, а отстает от него на некоторое время. Под действием переменного напряжения в узком слое перехода (слое умножения) будут формироваться сгустки электронов. Но для этого необходимо, чтобы частота переменного напряжения допускала формирование сгустка в период ускоряющей фазы напряжения. Тогда в последующий полупериод изменения напряжения (замедляющее электрическое поле) такие сгустки будут отдавать свою энергию переменному полю. Отсутствие модуляции скорости носителей в этом случае лишь улучшает высокочастотные свойства диода. В пространстве дрейфа сгустки электронов движутся в тормозящей фазе поля со скоростью насыщения и создают наведенный ток в цепи диода, отстающий от приложенного напряжения на угол, примерно равный \(3 \pi/2\).

В лавинно-пролетных диодах с несимметричным \(p\)-\(n\)-переходом чаще всего бывает одно пространство дрейфа — для электронов. Этим пространством является либо часть легированного полупроводника \(n\)-типа, либо собственный полупроводник перед омическим контактом — анодом, которые не охвачены лавинным пробоем. Генерируемые в слое умножения дырки почти сразу же захватываются \(p\)-областью и в энергообмене участия не принимают. Поэтому частотный диапазон таких ЛПД достаточно узок и определяется областью пролетной частоты.

Существует множество диодных структур пригодных для использования в качестве ЛПД, отличающихся вольт-амперными характеристиками, условиями лавинного пробоя и динамическими свойствами, которые зависят от геометрии, уровня легирования и материала диода. Из них можно выделить три (рис. 2.8-17): диод Тагера с резким \(p\)-\(n\)-переходом, диод Рида с переходом типа \(p^+\)-\(n\)-\(i\)-\(n^+\), диод Мисавы со слоем однородного умножения (\(p\)-\(i\)-\(n\)-переход).

Лавинное умножение носителей в диоде Рида реализуется в сравнительно тонком слое, представляющем собой виртуальный катод в приконтактной области \(p^+\)-\(n\)-перехода. Генерируемые в слое дырки сразу же уходят в \(p^+\)-область, а пакеты электронов дрейфуют со скоростью насыщения через дрейфовое пространство (\(i\)-область).

Рис. 2.8-17. Основные структуры, используемые в лавинно-пролетных диодах, и распределение полей в них

Диод Тагера имеет также сравнительно узкую область лавинного умножения. Электроны опять в виде пакетов попадают в пространство дрейфа (\(n\)-область), отдавая полю СВЧ свою энергию, а дырки поглощаются \(p\)-областью (в \(p\)-\(n\)-переходе диода Тагера обычно \(p\)-область значительно уже \(n\)-области).

Диод Мисавы аппроксимируется структурой, в которой поле близко к однородному. Слой умножения в диоде сравнительно широкий. Дырки и электроны, которые генерируются в одинаковых количествах, дрейфуют в виде пакетов через свои полупространства дрейфа (наведенные ими токи при этом направлены в одну и ту же сторону) — дырки в \(p\)-область, электроны в \(n\)-область.

На рис. 2.8-18 представлены качественные зависимости величины динамического отрицательного дифференциального сопротивления от тока для диодов трех типов. В диоде Рида сопротивление достигает максимума при сравнительно малых плотностях тока, затем оно быстро падает. У диода Тагера максимум сопротивления сдвигается в сторону больших токов. Еще большие плотности тока необходимы для его оптимума в диоде Мисавы. Частотная зависимость отрицательного дифференциального сопротивления при фиксированном токе также представлена на рис. 2.8‑18. Для диода Рида оптимальное отрицательное сопротивление реализуется вблизи пролетной частоты. В диоде Тагера оптимальные фазовые условия на этой частоте не реализуются, поэтому максимум сопротивления в этой структуре ниже и по частоте расплывается. Диод Мисавы имеет небольшое и практически постоянное сопротивление в широкой области частот.

Лавинно-пролетные диоды различных конструкций работают в нескольких основных режимах работы, зависящих как от добротности резонатора, так и от многих других факторов.

Рис. 2.8-18. Токовая и частотная зависимости динамического отрицательного дифференциального сопротивления для лавинно-пролетных диодов различного вида

Стандартным считается так называемый режим Impatt (impact avalanche, transit time) или пролетный режим . Он отражает основные физические явления, протекающие в ЛПД при не слишком высоких амплитудах полей СВЧ (резонаторы средней добротности). Обычно, максимальный КПД прибора примерно равный 25% достигается на частоте, удовлетворяющей соотношению \(\omega \tau \sim \pi\) (пролетная частота ), где \(\tau\) — время пролета электронной лавины. Электронно-дырочные пары генерируются в этом режиме в слое лавинного умножения. Генерируемые дырки уходят в \(p\)-область, а электроны участвуют в энергообмене с полем. Такая ситуация наблюдается в диодах Рида и Тагера (с несимметричным \(p\)-\(n\)-переходом). В диоде Мисавы пролетное пространство является также слоем лавинного умножения, поэтому анализ Impatt-режима для диода Мисавы значительно сложнее, чем для диодов Рида и Тагера, где четко можно выделить виртуальный катод (слой умножения) и область дрейфа. В Impatt-режиме ток инжекции в пространстве дрейфа достигает максимума к моменту, когда напряжение, приложенное к диоду, проходит через нуль. Дальнейшее отставание по фазе конвекционного тока носителей обусловливается конечным временем их движения в пространстве дрейфа, так что в целом наведенный ток в цепи диода оказывается противофазным к приложенному напряжению.

Второй тип колебательного режима лавинно-пролетного диода — режим Trapatt (trapped plasma, avalanche triggered time) или аномальный режим. Этот режим считается аномальным, поскольку рабочая частота в нем намного ниже пролетной. Trapatt-режим отличается относительно высоким значением КПД и возникает в условиях значительных напряжений СВЧ на диоде (высокодобротные резонансные системы, в которые помещается \(p\)-\(n\)-переход). Установление такого режима сопровождается значительными изменениями постоянных составляющих напряжения и тока на диоде. Trapatt-режим возникает в условиях большого смещения на диоде с резко неоднородным распределением электрического поля. В этом режиме ток инжекции также отстает по фазе от напряжения, приложенного к диоду. Возникающие при этом носители заполняют все пространство дрейфа, так что диод к моменту наступления отрицательного полупериода напряжения оказывается заполненным электронно-дырочной плазмой высокой концентрации. Проводимость диода резко возрастает и через него в течение отрицательного полупериода “проталкивается” импульс тока большой величины. Этим и обусловливается высокая отрицательная динамическая проводимость ЛПД в Trapatt-режиме. Когда диод обладает такой повышенной проводимостью, напряжение на нем невелико и носители движутся не со скоростью насыщения, а значительно медленнее. Поэтому рассасывание носителей из объема диода происходит медленно и оканчивается к моменту перехода напряжения к положительному полупериоду. При этом генерация диода происходит на более низкой частоте.

Лавинно-пролетные диоды по частоте спосбны перекрывать весь диапазон СВЧ (от 0,5 до 500 ГГц). Существенное повышение коэффициента полезного действия ЛПД до 20...30% в сантиметровом и 60...70% в дециметровом диапазонах привело к тому, что они смогли заменить лампы обратной волны и клистроны малой и средней мощности. При помощи ЛПД могут генерироваться колебания мощностью до 12 Вт от одного прибора в сантиметровом диапазоне и порядка 0,1...1 Вт в миллиметровом. В аномальном режиме от ЛПД могут быть получены еще большие мощности (до сотен ватт в импульсном режиме). Недостатком ЛПД является относительно высокий уровень фазовых шумов. Помимо генерации сигналов СВЧ лавинно-пролетные диоды могут использоваться для их усиления, в схемах умножения и преобразования частоты и т.д.

Параметры лавинно-пролетных диодов, указываемые в справочниках, практически ни чем не отличаются от параметров генераторных диодов на эффекте Ганна. Это диапазон рабочих частот, минимальная выходная мощность в рабочем диапазоне, постоянные рабочие ток и напряжение и т.п. (

Диод Ганна представляет собой кристалл однородного полупроводника типа n, чаще всего арсенида галлия (GaAs) с металлическими контактами на краях. Диод Ганна обладает объемной отрицательной дифференциальной проводимостью. Поэтому применяется для построения автогенераторов и усилителей колебаний СВЧ. Если к кристаллу арсенида галлия приложить постоянное напряжение и изменять его значение, то ток через кристалл будет изменяться по сложному закону, представленному на рис. 4.34.

Такая характеристика диода Ганна является следствием появления неустойчивости в распределении пространственного заряда в объеме кристалла при некотором значении внешнего напряжения Е, превышающем так называемое пороговое значение его: Е= 2 ... 5 кВ/см.

Сначала, при малых значениях напряженности поля Е, распределение поля внутри полупроводника однородное, так как полупроводник однородный.

Подвижность электронов при этом большая. По мере увеличения постоянного напряжения скорости электронов и ток нарастают по линейному закону (см. рис. 4.34). Но когда напряженность поля Е достигает значения, превышающего пороговое Еп, распределение пространственного заряда и поля оказывается неустойчивым. При Е = ЕП скорость электронов максимальна. Из-за наличия в полупроводнике примеси в каком-то месте его объема (или на грани контакт - кристалл) появляется неоднородность, действие которой приводит к увеличению напряженности поля Е. Скорости электронов в этом месте уменьшаются. Те, которые ближе к катоду, догоняют замедленные. В результате нарушается равномерное распределение пространственного заряда, появляются слои с отрицательным (1) и положительным (2) зарядами (рис. 4.35).

Процесс образования слоев пространственного заряда происходит лавинообразно. В результате в полупроводнике образуется область сильного электрического поля, называемая доменом. Увеличение напряженности поля в домене при неизменном внешнем напряжении приводит к снижению напряженности поля за пределами домена. При дальнейшем увеличении внешнего напряжения ширина домена растет быстрее, чем внешнее напряжение, вследствие чего поле в полупроводнике вне домена еще несколько уменьшается. При этом ток через диод уменьшается пропорционально полю (см. рис. 4.34). Это проявляется как отрицательное сопротивление.

При уменьшении внешнего напряжения, приложенного к полупроводнику с доменом, ток через диод практически не меняется до некотого значения Е, при котором домен исчезает: Е = Егаш

Режим работы генератора на диоде Ганна зависит от параметров диода и схемы, а также от напряжения питания.

Домен перемещается от катода к аноду со скоростью VДР, примерно равной дрейфовой скорости электронов. Во время движения домена от катода к аноду через полупроводник протекает ток, I1. Когда домен достигает анода, ток возрастает. Следовательно, во внешней цепи при Е>Еп протекает прерывистый ток. Это явление называется эффектом Ганна. Таким образом, при увеличении напряжения сверх порогового значения Е>Еп происходит уменьшение скорости электронов вследствие появления доменов, что соответствует объемной отрицательной дифференциальной проводимости. Это свойство диода Ганна и используется для построения автогенераторов СВЧ. Для этого к диоду подключается резонансная система, как показано на рис. 4.36.

Различают режимы: доменные, ограниченного накопления объемного заряда и гибридные. Доменные режимы бывают трех видов: пролетный, с задержкой образования доменов и с подавлением домена. Доменные режимы реализуются только в дециметровом диапазоне длин волн на частотах порядка единиц гигагерц. Но из-за низкого КПД (η=4... 6%) практически не используются.

Для радиопередающих устройств перспективными являются гибридные режимы и режим ограниченного накопления объемного-заряда.

Частота генерации в режиме ограниченного накопления зарядов определяется только внешней резонансной системой. Параметры схемы - амплитуда и частота колебаний, а также напряжение питания подбираются так, чтобы домен не успевал сформироваться, пока на диоде напряжение больше порогового, и чтобы он успел рассосаться, пока оно меньше порогового. КПД в этом режиме достигает до 25%.

Диоды Ганна обладают высокой стабильностью частоты.

Резонансная система в генераторах на диодах Ганна выполняется на основе коаксиальных, микрополосковых или волноводных резонаторов. Конструкция коаксиального генератора на диоде Ганна показана на рис. 4.37.

Диод 1 включен последовательно во внутренний проводник отрезка длинной линии. Перестройка частоты осуществляется с помощью короткозамыкающего поршня 4. Вывод энергии производится посредством витка связи 3. В цепи питания по постоянному току предусмотрена диэлектрическая прокладка 2.

Модуляция в таких генераторах применяется чаще всего частотная с помощью гиромагнитных резонаторов на основе железо-иттриевого граната (ЖИГ-сфера). Генераторы на таких элементах перестраиваются по частоте в пределах октавы при небольшой сопутствующей амплитудной модуляции.

Другой способ частотной модуляции в генераторах на диодах Ганна основан на включении варикапов и обеспечивает диапазон перестройки в трехсантиметровом диапазоне в пределах от 100... ...200 МГц до 1 ... 1,5 ГГц.

Диапазон механической перестройки частоты генераторов на диодах Ганна определяется конструкцией и зависит от средней частоты. На сантиметровых волнах в волноводных конструкциях отношение крайних частот перестраиваемого диапазона составляет 1,5, на миллиметровых волнах - 1,2, в коаксиальной конструкции - около 2.

Амплитудную модуляцию можно осуществить изменением напряжения питания. Но из-за нелинейности модуляционной характеристики амплитудная модуляция гармоническим сигналом не применяется. На практике применяется лишь импульсная амплитудная модуляция.

Диод Ганна - это полупроводник, который способен заниматься генерацией колебаний на различных частотах. В магазинах электроники устройства продаются разных типов. Также стоит отметить, что они отличаются по размеру. К основным параметрам модификаций относится проводимость тока, напряжение, максимальная частотность и сопротивление.

Устройство диода Ганна схожее с обычным полупроводником. Стандартная модель состоит из тонкого слоя арсенида. Также внутри устройства имеется специальная среда галлия и контакты. Под слоем арсенида располагаются легирующие примеси и электроды. Технология изготовления диода Ганна на разных предприятиях может отличаться.

Как он работает?

Как говорилось ранее, имеются разные типы диодов. Принцип работы устройств построен на преобразовании колебаний. Происходит это за счет изменения частотности в цепи. Первоначально напряжение подается на контакты, где возбуждается слой арсенида. Далее задействуются непосредственно электроды. При этом сила магнитного поля возрастает. Оптические контакты в системе необходимы для увеличения сопротивления. Процесс генерации колебаний осуществляется в легирующих примесях. Повышение скорости насыщения в данном случае зависит от проводимости электродов.

Применение диодов Ганна

Диоды активно применяются в генераторах разной частотности. Также стоит отметить, что они часто устанавливаются в контроллеры. Еще их можно встретить в трансформаторах. Однако устройства подходят не для всех типов модификаций. Для того чтобы более подробно разобраться в этом, надо рассмотреть типы диодов.

Виды модификаций

На сегодняшний день выделяют корпусные и бескорпусные устройства. Они отличаются по проводимости, а также защищенности. Также стоит отметить, что разделение модификаций осуществляется по длине. Существуют диоды на 20, 50 и 100 мкм.

Корпусные диоды

Корпусный полупроводниковый диод Ганна (фото показано ниже) подходит для генераторов разной частотности. Если верить экспертам, то модификации обладают хорошей проводимостью. Подключение устройств может осуществляться через контактные модуляторы. Технология изготовления диода Ганна на различных фабриках может отличаться. В некоторых случаях используются канальные переходники.

Также стоит отметить, что корпусные диоды обладают хорошей защищенностью. Параметр рабочей влажности у них равняется примерно 55 %. При этом минимальная допустимая температура составляет -30 градусов. Модели также хорошо подходят для конденсаторных трансформаторов. За счет представленных диодов достигается высокая скорость электродов.

Лавиннопролетные бескорпусные устройства

Бескорпусные лавиннопролетные диоды Ганна используются, как правило, для работы контроллеров. Параметр проводимости у многих моделей стартует от 30 мк. При этом обеспечивается высокая скорость электродов. Если рассматривать серийный диод Ганна, конструкция у него схожа с линейным полупроводником. При напряжении 12 В показатель перегрузки у моделей равняется не менее 55 А.

Однако в данном случае многое зависит от размера модификации. Также стоит учитывать тип транзистора, который используется для подключения к контроллеру. Во многих случаях устройства могут подсоединяться через распределитель. В такой ситуации сопротивление составляет примерно 2 Ом. Скорость насыщения зависит от количества легирующих примесей. Стоит отметить, что модификации не подходят для бесконтактных котроллеров. Основная проблема тут кроется в малой скорости насыщенности.

Устройства на 20 мкм

Большой популярностью пользуется этот диод Ганна. Принцип работы у него построен на генерации колебаний. Модели замечательно подходят для котроллеров приводного типа. Также стоит отметить, что модификации отличаются хорошим отрицательным сопротивлением при малых тепловых потерях. Однако у них есть определенные недостатки.

В первую очередь эксперты отмечают низкий показатель перегрузки при напряжении в 10 В. У моделей не самая лучшая защищенность. Рабочая влажность диодов на 20 мкм равняется 40 %. Легирующие примеси в данном случае медленно взаимодействуют с катодом. Скорость электродов зависит не только от проводимости, но и сопротивления.

Модификации на 50 мкм

Диод Ганна (обозначение 50 мкм указано на корпусе) разрешается применять для мощных генераторов. Подключение модификаций осуществляться может только через переходные конденсаторы. Если рассматривать диод Ганна 3А716И, то параметр допустимого напряжения равняется 15 В. Защищенность модели в данном случае зависит от типа блокиратора, который используется в оборудовании. Проводимость в среднем поддерживается на отметке 40 мк. Некоторые эксперты говорят о том, что представленные полупроводники обладают не лучшей проводимостью.

Однако стоит отметить, что процесс генерации колебаний происходит очень быстро. При этом обеспечивается высокий уровень насыщенности арсенида. Среда галлия остается активной даже при повышении температуры. Отдельно важно отметить, что модификации на 50 мкм подходят для кодовых контроллеров. Для подключения применяются транзиторные блоки. В данном случае проводимость обеспечивается на уровне 45 мк. При этом сопротивление у диодов максимум равняется 2 Ом. У них обеспечивается отличная защищенность, скорость электродов поддерживается на высоком уровне. Если говорить про недостатки таких систем, то важно отметить, что у них малая скорость насыщенности. Во многом это связано с наличием примесей в среде галлия.

Также можно упомянуть о том, что контакты часто перегреваются, процесс генерации колебаний может сильно замедляться. Для решения представленной проблемы могут использоваться переходные фильтры. В первую очередь они повышают отрицательное сопротивление. Также они хорошо влияют на проводимость электродов.

Отличие устройств на 100 мкм

Среди закрытых моделей часто встречается данный диод Ганна. Принцип действия модификаций построен на преобразовании колебаний. Для этого задействуется нижний слой арсенида. Если рассматривать обычный диод Ганна, конструкция у него является схожей с линейным полупроводником. Оптические контакты играют роль проводников.

Если говорить о применении модификаций, то стоит отметить, что диоды на 100 мкм неплохо подходят для кодовых контроллеров. Работать они способны при напряжении 13 В. В это время показатель перегрузки тока не должен опускаться ниже отметки 40 А. Отрицательное сопротивление в системе зависит только от скорости генерации колебаний. Также стоит отметить, что диоды на 100 мкм часто применяются для приводных котроллеров.

Модификации для генераторов на 10 ГГц

Для генераторов на 10 ГГц подходят диоды закрытого типа. При этом длина модификации не имеет значения. Непосредственно подключение устройства осуществляется через обычный переходной конденсатор. Также подходят полевые аналоги, у которых высокий параметр отрицательного сопротивления. Модификации для генераторов на 10 ГГЦ должны работать при напряжении не ниже 10 В.

Также стоит отметить, что нельзя подключать модификации через обычный проводной контактор. В первую очередь он снижает проводимость устройства. При этом уменьшается скорость электродов. Оптические контакторы для этих целей подходят замечательно. Они абсолютно не влияют на коэффициент теплопроводимости. В среднем отрицательное сопротивление поддерживается на уровне 4 Ом.

Устройства для генераторов на 15 ГГц

Под генераторы на 15 ГГц разрешается применять диоды только закрытого типа. Как правило, подключение модификаций осуществляется через консольные конденсаторы с проводимостью на уровне 4 мк. В некоторых случаях используются обычные контакторы. Однако они должны работать при напряжении 10 В. С защищенностью у генераторов все нормально. Оптические контакты диодов довольно быстро возбуждаются. Также эксперты указывают на высокую скорость электродов. Во многом это связано с высокой проводимостью. Скорость насыщения при этом регулируется коннектором. Если говорить про минусы, то стоит учитывать малый порог рабочей температуры. Допустимая влажность среды находится на уровне 55 %.

Слой зарядов модификации зависит от скорости процесса генерации колебаний. В некоторых случаях диоды подключаются через открытые транзисторы. В таком случае в цепи используются сеточные фильтры. В результате проводимость на пределе равняется 40 мк. При напряжении 12 В генератор с диодами должен выдавать перегрузку не менее 5 А. При понижении скорости электродов меняется контактор. Также проблемы могут заключаться в транзисторе. Модификации низкой проводимости не способны поддерживать постоянный импульс в системе.

Диоды для генераторов на 20 ГГц

Для генераторов на 20 ГГц используются диоды открытого и закрытого типа. В данном случае большую роль играет выбранный конденсатор. Как правило, используются модификации с выходным напряжением на уровне 30 В. Однако стоит помнить об отрицательном сопротивлении. При занижении этого параметра значительно падает скорость электродов. Также возникают проблемы с проводимостью и тепловыми потерями.

Параметр перегрузки у генераторов в основном не опускается ниже отметки 5 Н. У модификаций очень хорошая защищенность. При этом насыщенность легирующих примесей зависит от сопротивления на выходе. Для подключения через коннектор используются приводные переходники. Во многих случаях применяются именно трансиверы. Для поддержания стабильного напряжения устанавливаются стабилизаторы. Однако важно отметить, что диоды значительно теряют в проводимости при использовании коммутационных трансиверов.

Модели для оперативных резонаторов

Оперативные резонаторы нуждаются в быстрой генерации колебаний. Диоды данного типа хорошо подходят для этих целей. При установке модификации стоит в первую очередь заняться замером отрицательного сопротивления. Также не стоит забывать про проводимость оптических контактов, от которых зависит скорость электродов. Для повышения потенциала устройства рекомендуется применять емкостные трансиверы.

Параметр напряжения в этой ситуации на пределе будет достигать 30 В. Перегрузка диода зависит исключительно от проводимости конденсатора. Также стоит отметить, что при установке модификации стоит использовать фильтры на обкладках. В первую очередь они решают проблемы защищенности среды галлия. Также они положительно влияют на легирующие примеси.

Диоды в импульсных резонаторах

Конкретно для импульсных резонаторов подходят диоды на 20 и 50 мкм. При подключении устройств применяются кодовые переходники. В некоторых случаях используются коннекторы. Проводимость модификаций зависит от скорости насыщений и уровня отрицательного сопротивления. Если рассматривать схему с приводным контроллером, у нее напряжение на пределе равняется 40 В. Защищенность при этом поддерживается на высоком уровне. Недостатком такой системы считается низкая проводимость при малой частоте, а перегрузка равняется только 4 А.

Скорость насыщения поддерживается на высоком уровне, однако это достигается значительными тепловыми потерями. Если рассматривать схему на то там используется два фильтра. Непосредственно диод Ганна подходит на 20 мкм. Устанавливаться он обязан за переходником. В таком случае напряжение на пределе равняется примерно 10 В с отрицательным сопротивлением на уровне 4 Ом.

Применение устройств в приводных контроллерах

Для приводных контроллеров подходит диод Ганна на 100 мкм. Подключение модификаций осуществляется, как правило, через триоды. Данные устройства обладают неплохой проводимостью и способны работать с сеточными фильтрами. Им не страшны тепловые потери, а напряжение поддерживается на уровне 30 В. У моделей обеспечивается хорошая защищенность и высокая скорость электродов. Некоторые эксперты также активно используют диоды в цепях с компараторами, которые подключаются через два переходника. Регуляторы для таких систем подходят линейного типа.

Модели для частотных контроллеров

С целью обеспечения нормальной работы частотных контроллеров можно использовать диод Ганна только закрытого типа. При этом длина модификации может составлять 20 либо 50 мкм. В данном случае многое зависит от проводимости непосредственно контроллера.

Если рассматривать схему на полевом конденсаторе, то там отрицательное сопротивление на пике равняется 4 Ом. При напряжении 10 В устройство стабильно работает и показывает высокую скорость электронов. Насыщенность зависит от защищенности переходных контактов. Также при подключении диодов важно обращать внимание на проводимость внутри цепи между направляющими.

Диоды в широтных контроллерах

Для широтных контроллеров подходят модификации на 50 мкм. Подключать устройства можно через трансивер. Однако переходники подбираются на два контакта. В такой ситуации обеспечивается проводимость 55 мк при напряжении 12 В. При подключении модификации важно оценить отрицательное сопротивление. Также уделяется внимание контактору на обмотке. Максимальная допустимая перегрузка контура составляет 3 Ню. Для повышения защищенности модификации используются только релейные фильтры. При включении контроллера порог выходного напряжения не должен превышать 15 В.