Диоды Ганна

Диоды Ганна

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

Впервые явление было открыто Ганном в 1963 г.

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

Рис 1

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

Зонная диаграмма и ВАХ GaAs.

GaAs – как полупроводник

Рис 2

Рис 3

Эффективная масса m1
*

=0,07m0

m
1
*
=1,2m0

Подвижность µ
1

=600 см2

/В*

с µ
2

=150 см2

/В*

с

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

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

Рис 4

Вольт
–
Амперная Характеристика (ВАХ
).

Рис 5

В следствии того, что подвижностиµ
1

иµ
2

отличаются сильно, на участке ВАХ проявляется участок с ОДП.

Для GaAs – характерные точки между которыми происходит перераспределение Еа

иЕв

Еа

=3,2 кВ/смЕв

=20 кВ/см

Так как в GaAs энергия расщепления меньше ширины запрещённой зоны
E<Eg

, то Ев меньше напряжения лавинного пробоя Елп

(Ев
<Елп

).

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

Такой эффект реализуется в очень малом количестве полупроводников.

Если подвижностиµ
1

, µ
2

мало отличаются друг от друга, то на ВАХ появляется характеристика без ОДС.

Зарядовая неустойчивость в структурах с ОДС

Рис 7

При выборе рабочей точки на участке ОДС любая зарядовая неустойчивость будет расти. Например, если в какой – то точке увеличивается отрицательный заряд, это приведёт к уменьшению поля слева от него и увеличивается поле справа от него, но при этом ток слева увеличивается, а справа уменьшается.

Домены сильного электрического поля в диодах Ганна.

Рис 9

Рис 10

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

Временные параметры диодов Ганна.

Q - заряд

- время релаксации относительно носителей.

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

- Условие формирования, а не рассасывания заряда

Из них следует

есть условие конструирования диодов Ганна из GaAs.

W=0,1 мм

=107

Статистическая ВАХ GaAs
.

Отсюда следует

Экспериментально установлено, что для GaAs k=4

СООТНОШЕНИЕ, ОПИСЫВАЮЩЕЕ ВАХ В ДИОДАХ ГАННА НА ОСНОВЕ GAAS

Рис 11