Диоды Ганна

Генератор Ганна – это полупроводниковый прибор, действие которого основано на появлении отрицательного дифференциального сопротивления под воздействием сильного электрического поля, предназначенный для генерации и усиления СВЧ-колебаний.

Свое название диоды Ганна получили по фамилии ученого, который впервые наблюдал физический эффект, используемый в этих приборах. В диоде Ганна нет p-n-перехода, диодами эти приборы называют потому, что они подобно диодам являются двухполюсными, т. е. имеют всего два вывода.

Эффект Ганна состоит в том, что при приложении к крис­таллу однородного полупроводника постоянного напряжения определенной величины в нем возникает переменный ток час­тоты СВЧ-диапазона.

Но этот эффект наблюдается не во всех полупроводниках, а только в таких, которые имеют сложную структуру зоны проводимости. Структуру требуемого вида имеют такие матери­алы, как арсенид галлия (GaAs), фосфид индия (InP), теллурид кадмия (CdTe) и некоторые другие.

На рис. 8 приведена зонная диаграмма арсенида галлия. Особенность зоны проводимости состоит в том, что в ней есть две так называемые долины − нижняя и верхняя. Верхняя до­лина соответствует более высоким энергиям зоны проводимости и отстоит от нижней долины на

ΔW₁ = 0,36 эВ.

Электроны, находящиеся в нижней долине, называют «лег­кими» (или «холодными»), т. к. они имеют достаточно высокую подвижность μ₁. Значение μ₁ ~ 5000 см²/(В-с).

Электроны верхней долины называют «тяжелыми» (или «горячими»), т. к. их подвижность μ₂ существенно меньше подвижности μ₁. Значение μ₂ ~ 100…200 см²/(В-с).

Рис. 8. Зонная энергетическая диаграмма арсенида галлия

Обозначим концентрацию легких электронов в некотором образце полупроводника из арсенида галлия п₁ подвижность их − μ₁. Концентрацию тяжелых электронов в этом же кристал­ле обозначим п₂, подвижность их − μ₂. Полная концентрация электронов п₀ = п₁ + п₂.

Пусть к полупроводнику приложено слабое электрическое поле напряженностью Е, меньше некоторого порогового значе­ния напряженности Е < Е_пор. В этом случае практически все электроны будут находиться в нижней долине и можно считать, что n₁ ~ n₀. Плотность дрейфового тока, протекающего при этом в кристалле,

.

Зависимость дрейфового тока от напряженности электри­ческого поля или ВАХ рассматриваемого кристалла показана на рис. 9. Участок 1 вольтамперной характеристики соответс­твует режиму слабого электрического поля.

Если в полупроводнике создано сильное электрическое поле Е₂ > Е_пор, то электроны под действием этого поля приобретают дополнительную энергию ΔW > ΔW₁ (рис. 8), переходят в бо­ковую долину и становятся тяжелыми. При сильных полях Е >> Е_пор можно полагать, что практически все электроны полу­чат достаточную дополнительную энергию и окажутся в боковой долине. Так что концентрация их n₂ ~ п₀. Плотность дрейфового тока в этом случае

.

Режиму сильного электрического поля соответствует учас­ток 2 вольтамперной характеристики (рис. 6.9).

Рис. 9. ВАХ полупроводника с многодолинной структурой зоны проводимости

При средних напряженностях электрического поля, не на­много превышающих Е_пор, некоторая часть электронов будет находиться в нижней долине, другая часть − в верхней долине, общее значение их концентрации n₀ = n₁ + n₂ остается неизменным. Плотность тока будет определяться со­отношением между концентрацией легких электронов п₁ и тя­желых электронов п₂.

Такой режим соответствует участку 3 вольтамперной харак­теристики (рис. 9). На этом участке кристалл полупроводника имеет отрицательное дифференциальное сопротивление. Это сопротивление обусловлено переходом электронов зоны прово­димости из долины с высокой подвижностью в долину с низкой подвижностью под действием сильного электрического поля.

Принцип работы диода Ганна рассмотрим на образце арсенида галлия n-типа. Образец однородно легирован, имеет два омических контакта, их называют − катод (К) и анод (А) (рис. 10). На образец подано постоянное напряжение, которое образует в кристалле электрическое поле напряженности Е. Поданное напряжение такой величины, что напряженность поля Е немного превышает пороговое значение Е_пор (Е > E_пор).

При этом все свободные электроны в кристалле являются легкими и плотность тока через кристалл имеет максимальное значение

.

Возле омических контактов всегда существуют дефекты кристаллической решетки, что обусловливает в этих местах немного повышенное сопротивление кристалла. На этих приконтактных областях падает большее напряжение и создается несколько большая напряженность поля. Так как приложенное к образцу напряжение постоянно, то повышение напряженности поля возле контактов неизбежно приводит к снижению напря­женности в объеме кристалла (рис. 10,в). Таким образом, в пер­вый момент после подачи постоянного напряжения поле с напря­женностью Е > Е_пор будет возле контактов. Под действием этого поля электроны дрейфуют от катода к аноду. При этом легкие электроны переходят из нижней долины в верхнюю и становятся тяжелыми. Около катода появляется слой тяжелых электронов, которые образуют отрицательный объемный заряд, медленно дрейфующий к аноду. Те легкие электроны, которые находятся за слоем объемного отрицательного заряда со стороны анода, быстро двигаются к аноду. Это приводит к тому, что появляется слой нескомпенсированных положительных ионов доноров.

Рис. 10. Структура диода Ганна (а), распределение концентрации (б) и распределение напряженности электрического поля (в) до создания домена

В результате в кристалле появляется движущийся от ка­тода к аноду домен, который состоит из двух слоев объемных зарядов − слоя отрицательно заряженных электронов и слоя положительно заряженных ионов доноров. Скорость движения домена равна скорости тяжелых электронов V₂.

Внутри домена существует свое электрическое поле Е_дом (рис, 11,а). Это поле совпадает по направлению с полем Е кристалла, поэтому в области домена результирующее электри­ческое поле увеличивается. Это приводит к уменьшению поля вне домена, а значит и к уменьшению скорости электронов вне домена.

Рис. 11. Распределение концентрации носителей (а) и напряженности электрического поля (б) после создания домена

Скорость домена V₂ = μ₂Е₂ увеличивается, а скорость дви­жения электронов V₁ − μ₁Е₁ уменьшается (Е₂ − результирую­щая напряженность поля внутри домена, Е₁ − напряженность поля вне домена, рис. 11,б). В некоторый момент времени эти скорости уравниваются:

V_l = V₂ = μ.₂E₂ = μ₁Е₁.

С этого момента прекращается поступление в домен догоня­ющих его со стороны катода легких электронов и «обнажение» положительных ионов со стороны анода. Заканчивается на этом формирование домена, и он с постоянной скоростью движется к аноду. Ток, протекающий при этом через кристалл,

.

Так как Е₁ < E, то I_min < I_max.

Минимальное значение плотности тока сохраняется в тече­ние всего времени движения домена через кристалл. Это время называют временем пролета и определяют соотношением:

t_np = l/V₂,

где l − длина кристалла.

Когда домен достигает анода, он разрушается, и плотность тока увеличивается до значения I_mах. Сразу после этого у като­да образуется новый домен, ток уменьшается до I_min; процесс повторяется. Зависимость тока, проходящего через кристалл, от времени показана на рис. 12. Ток представляет собой пе­риодическую последовательность импульсов, частота которых определяется периодом Т. В свою очередь Т = t_пр, т. е. зависит для данного материала от длины образца крис­талла l. Длину l выбирают такой, чтобы частота полученных колебаний тока соответствовала СВЧ-диапазону.

Рассмотренный режим работы диода Ганна, в котором частота колебаний определяется длиной кристалла, называется пролетным режимом.

Рис. 12. Зависимость тока через диод Ганна от времени

Существует еще ряд режимов, при работе на которых доби­ваются независимости частоты колебаний от размера кристалла, или получают возможность регулировать частоту колебаний в некоторых пределах.