Технология изготовления генераторов Ганна

Несмотря на принципиальную простоту конструкции генератора Ганна, представляющего собой однородный кристалл арсенида галлия с электропроводностью n-типа с двумя контактами, нанесенными на противоположные стороны кристалла, в производстве таких приборов встречаются трудности, связанные прежде всего с необходимостью создания тонких слоев однородно легированного арсенида галлия (или другого полупроводникового материала).

В генераторах Ганна, имеющих толщину кристалла с высоким удельным сопротивлением более 200 мкм и работающих в пролетном режиме, колебания получаются, как правило, некогерентны­ми. Это вызвано наличием в каждом из кристаллов нескольких дефектов, на которых могут зарождаться домены. Путь, пробегаемый доменом от места его зарождения до анода, определяет период колебаний. Поэтому если домены зарождаются на различных неоднородностях кристалла, т. е. на различных расстояниях от анода, то колебания будут иметь шумовой характер. Применение приборов с междолинным переходом электронов практически оправдано в диапазоне частот более 1 ГГц, что соответствует толщине высокоомного полупроводника l ≤ 100 мкм.

В свою очередь, наименьшая толщина кристаллов полупро­водника с высоким удельным сопротивлением для генераторов Ганна кроме технологических трудностей ограничена тем, что дли перехода электрона из центральной в боковую долину необходи­ма дополнительная энергия, которую электрон может приобрести в электрическом поле после прохождения некоторого расстояния. Так, дополнительную энергию (0,3 эВ) электрон может приобрести в арсениде галлия при пороговой напряженности электриче­ского поля, равной 3 кВ/см, только на расстоянии 1 мкм. Сам домен также имеет некоторую протяженность, определяемую в основном толщиной слоя положительной части домена, так как плотность положительного заряда в обедненном электронами слое ограничена концентрацией доноров в высокоомном полупроводнике (N_д = 10¹⁴…10¹⁶ см^-3). Ограничение минимальной толщины высокоомного кристалла приводит к ограничению максимальной частоты генерации в пролетном режиме для генераторов Ганна из арсенида галлия значениями около 50 ГГц.

Первые приборы на эффекте междолинного перехода электро нов изготовляли из арсенида галлия и фосфида индия со сплавными омическими переходами между кристаллом полупроводники и электродами. Но методом вплавления трудно получить с воспроизводимыми результатами малую толщину полупроводника между омическими переходами. Поэтому в настоящее время для этих целей используют эпитаксиальные слои, наносимые на сильнолегированную подложку с электропроводностью n-типа. Многослойные структуры п⁺-п-п⁺ удобны, во-первых, при созда­нии невыпрямляющих электрических переходов между металли­ческими электродами и сильнолегированными слоями полупро­водника. Во-вторых, пластина с такой структурой достаточно механически прочна при резке ее на отдельные кристаллы, при пайке выводов и монтаже в корпус.

Параметры и свойства генераторов Ганна

Как любой генератор СВЧ-диапазона, генератор Ганна характе­ризуется генерируемой мощностью (при импульсной и непрерыв­ной работе), длиной волны или частотой генерируемых колеба­ний, коэффициентом полезного действия, уровнем частотных и амплитудных шумов и другими параметрами.

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 (f = v/l). Связь между генерируемой мощностью и частотой можно представить в виде

Р = U²/z = E²l²/z = .

Отсюда следует, во-первых, что мощность генерируемых СВЧ-колебаний зависит от полного сопротивления z или от пло­щади рабочей части высокоомного слоя полупроводника. Во-вто­рых, приведенное соотношение указывает на то, что ожидаемое изменение мощности с частотой пропорционально 1/f².

Генераторы Ганна из арсенида галлия могут генерировать CВЧ-колебания от 1 до 90 ГГц (каждый прибор рассчитан на твою частоту). Несколько большие частоты получены на генера­торах Ганна из фосфида индия в связи с большими 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 как исходного материала для приборов на эффекте междолинного перехода электронов − большее значение пороговой напряженности электрического поля (10,5 и 3,2 кВ/см соответственно). Это отличие должно привести к созданию из фосфида индия генераторов Ганна со значительно большими выходными мощностями. Для создания генератором Ганна с еще большими частотами генерируемых колебаний, но с меньшими мощностями представляют интерес тройные соединения GaInSb, так как в них дрейфовые скорости электронов велики, но меньше пороговые напряженности электрического поля.

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

В связи с возможным наличием в кристалле генераторов Ганна нескольких неоднородностей зарождение домена может происходить в различные моменты времени на разном расстоянии от анода. Поэтому частоты колебаний будет изменяться, т. е. могут возникать частотные шумы. Кроме частотных шумов в генераторах Ганна существуют амплитудные шумы, основ­ной причиной 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. Шумы генераторов Ганна значительно меньше шумов лавинно-пролетных диодов.

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.