5.10. Генератор на діоді ганна.

Діод Ганна представляє собою кристал однорідного напівпровід­ника типу n частіше всього арсеніду галію ( би AS ) з металевими контактами на краях.

Діод Ганна має об'ємну негативну диферинціальну провідність, тому використовується для побудови автогенераторів і підсилювачів коливань ЗВЧ.

Якщо до кристалу арсеніду галію прикласти постійну напругу і змінювати його значення, то струм через кристал буде змінюватись по складному закону (мал. 5.19а).

Така характеристика діода Ганна є наслідком появи нестійкості в розподілі просторового заряду в об'ємі кристалу при деякому значенні зовнішньої напруги Е, який перевищує так зване його порогове значення Е_п = 2 ...5кВ/см.

Мал. 5.19. Графік зміни струму через кристал арсеніда.

Спочатку, при малих значеннях напруженості поля Е, розподіл поля всередині напівпровідника однорідне, оскільки напівпровідник однорідний.

Рухливість електронів при цьому велика. По мірі збільшення постійної напруги швидкість електронів і струм наростають по ліній­ному закону (мал. 5.19а). Але коли напруженість поля Е осягає зна­чення, який перевищує порогове Е_п , розподіл просторового заряду і поля виявляється нестійким. При Е= Е_п швидкість електронів максима­льна. Із-за наявності в напівпровідникові домішок в якому-небудь місці його об'єму (або не межі контакт-кристал) появляється неодно­рідність, дія якої приводить до збільшення напруженості поля Е. Швидкість електронів б цьому місці зменшується. Ті електрони, які знаходиться ближче до аноду, з більшою швидкістю рухаються до нього, А ті, які знаходиться ближче до катоду, доганяють більш уповільне­ні. В результаті порушується рівномірний розподіл просторового заряду, появляються шари з негативним (1) та позитивним(2) зарядами (мал.5.19б).

Процес створення шарів просторового заряду проходить лавиноподібно. В результаті в напівпровіднику створюється область сильного електричного поля, яка називається доменом. Збільшення напру­женості поля в домені при незмінній зовнішній напрузі приводить до зниження напруженості поля за межами домена. При подальшому збільшенні зовнішньої напруги ширина домену зростає швидше, ніж зовнішня напруга, внаслідок чого поле в напівпровіднику за доменом ще трохи зменшується. При цьому струм через діод зменшується пропорціонально полю. Це проявляється як негативний опір.

При зменшенні зовнішньої напруги, яка прикладається до напів­провідника з доменом, струм через діод практично не змінюється до деякого значення Е, при якому домен зникає (Е- Е_п ),

Режим роботи генератора на діоді Ганна залежить від парамет­рів діода і схеми, а також від напруги живлення.

Домен переміщується від катода до аноду зі швидкістю V_др , приблизно рівній дрейфовій швидкості електронів. За час руху до­мена від катода до аноду через напівпровідник протікає струм I₁. Коли домен досягає аноду, струм зростає. Таким чином, в зовнішньо­му колі при Е > Е протікає переривчастий струм. Це явище називається ефектом Ганна. Таким чином, при збільшенні напруги більше порогового значення Е> Е проходить зменшення швидкості електро­нів внаслідок появи доменів, що відповідає об'ємній негативній ди­ференціальній провідності. Ця властивість діода Ганна і використо­вується для побудови автогенераторів ЗВЧ. Для цього до діода підключається резонансна система.

Відрізняють режими : доменні, обмеженого накопичення об'ємно­го заряду і гібридні. Доменні режими бувають трьох видів: пролітний, з затримкою створення доменів і з подавленням домена. Доменні режи­ми реалізуються тільки в дециметровому діапазоні довжини хвиль на частотах приблизно одиниць гігагерц. Але із-за низького ККД практично не використовуються.

Для радіопередавальних пристроїв перспективними є гібридні режими і режим обмеженого накопичення об'ємного заряду.

Частота генерації в режимі обмеженого накопичення зарядів визначається тільки зовнішньорезонансною системою. Параметри схе­ми амплітуда і частота коливань, а також напруга живлення підбираються так, щоб домен не встигав сформуватися, поки на діоді напруга більша порогової, і об він вспів розсмоктатися, поки вона менше порогової ККД в цьому режимі досягає 25 %.Діоди Ганна ма­ють високу стабільність частоти.

Резонансна система в генераторах на діодах Ганна здійснюєть­ся на основі коаксіальних, мікросмужкових і хвилевідних резонаторів.

Конструкція коаксіального генератора на діоді Ганна показана на мал. 5.20.

Мал. 5.20. Генератор на діоді Ганна і його конструкція.

Діод 1 (мал. 5.20б) ввімкнений послідовно в внутрішній провідник відрізку довгої лінії. Перестроєння частоти здійснюється з допомогою короткозамкнутого поршня 4. Вивід енергії проводиться при допомозі витка зв’язку 3. В колі живлення по постійному струму передбачена діелектрична прокладка 2.

Модуляція в таких генераторах використовується частіше всього на основі залізно-ітрієвого граната (ЗІГ-сфера). Генератори на таких елементах перестроюються на частоті в межах октави при невеликій амплітудній модуляції. Діапазон механічного перестроення частоти гене­раторів на діодах Ганна визначається конструкцією і залежить від се­редньої частоти. На сантиметрових хвилях в хвилеводних конструкціях відношення крайніх частот перестроюваного діапазону складає 1,5,жа міліметрових хвилях - 1,2, в коаксіальних конструкціях - біля 2.

Амплітудну модуляцію можна здійснити зміною напруги живлення. Але із-за нелінійності модуляційної характеристики амплітудна моду­ляція гармонічним сигналом не використовується. На практиці викорис­товується лише імпульсна амплітудна модуляція.