Лабораторная работа № 7

ДИОД ГАННА

Цель работы: изучить физический принцип действия, устройство и

характеристики диода Ганна и диодного генератора

на его основе.

Задание:

занести в рабочую тетрадь:

- название и цель лабораторной работы;

-основные положения, формулы и рисунки, необходимые при ответе на контрольные вопросы.

I общие положения

Диод Ганна ­ это полупроводниковый прибор без p-n-перехода, преобразующий энергию источника питания постоянного напряжения в энергии сверхвысокочастотных колебаний в результате возникновения в полупроводнике домена сильного поля.

В 1963г., исследуя свойства полупроводниковых соединений в сильных электрических полях, Дж. Ганн обнаружил явление спонтанного возникновения колебаний электрического поля в однородных образцах арсенида галлия (GaAs) и фосфида индия (InP) при напряженности поля больше некоторого порогового значения. По имени автора открытия это явление стали называть эффектом Ганна, а созданные на его основе источники СВЧ колебаний – генераторами на диодах Ганна или просто генераторами Ганна.

Открытие Дж. Ганна завершило этап длительного периода усилий исследователей по отысканию явлений в твёрдом теле, обеспечивающих объёмную

отрицательную проводимость.

В отличие от туннельных, лавинно - пролётных и других диодов, свойства которых определяются процессами в p-n-переходах, свойства диодов Ганна характеризуются явлениями, возникающими в объёме полупроводника с электронной проводимостью.

Аномальная зависимость скорости электронов от напряженность электрического поля в некоторых полупроводниковых соединениях используется для усиления и генерации колебаний СВЧ – диапазона.

Потребность в подобных источниках СВЧ колебаний, обладающих малыми габаритами и массой, повышенной надежностью, сравнительно простой конструкцией, предъявляющих в большинстве случаев пониженные требования к источникам питания, в современной радиоэлектронике весьма велика.

2 Принцип действия

2.1 Материал и структура диода Ганна

Д иод Ганна (ДГ) представляет собой однородный кристалл полупроводникового материала, на основе элементов III-V групп таблицы Менделеева. К таким полупроводниковым материалам относится GaAs, InSb, InAs, ZnSe и CdTe. Однако, наиболее характерным для диодов Ганна и наиболее исследованным является GaAs. На рисунке 1 представлена структура диода Ганна. Площадь торцов кристалла S = 100 100мкм², длина d = 5 – 100мкм. На торцы кристалла нанесены металлические контакты.

Р исунок 1 – Структура диода Ганна

2.2 Возникновение отрицательной дифференциальной проводимости.

Арсенид галлия относится к так называемым двухдолинным полупроводникам. На рисунке 2 показана структура зоны проводимости арсенида галлия.

Рисунок 2 – Структура зоны проводимости арсенида галлия

Волновое число k отложено в единицах  /, где α постоянная кристаллической решётки в выбранном направлении. Зависимость энергии W от k в зоне проводимости имеет два минимума, соответствующих нижней и верхней долинам. Разность энергии между ними W = 0,36эВ.

В нормальных температурных условиях (T = 300K) при отсутствии внешнего напряжения почти все электроны, имеющие энергию теплового движения 0,025эВ, занимают низшее энергетическое положение – дно нижней долины. При этом их эффективная масса составляет 0,067 массы свободного электрона, т.е. электроны в нижней долине являются «лёгкими». Это обеспечивает им высокую подвижность [₁ = 8000 – 3000см (Вс)^-1]. Плотность тока через образец в условиях малых напряженностей электрических полей Е можно выразить следующим соотношением (участок ОА рисунка 3).

j = eN  ,

где N - концентрация электронов в нижней долине.

Рисунок 3 – Зависимость плотности тока проводимости от напряжённости поля

При достаточно сильном электрическом поле часть электронов приобретает энергию, сравнимую с энергией междолинного перехода W, и переходит из нижней в верхнюю долину. Здесь их эффективная масса m₂ составляет приблизительно 0,35 массы свободного электрона, т.е. электроны в верхней долине «тяжёлые» и их подвижность уменьшается до ₂ = 100 – 200см  (Вс) , а концентрация становится N₂.

Большая разница в подвижности электронов для верхней и нижней долин приводит к тому, что начиная с некоторого значения критического поля Е_пор средняя дрейфовая скорость электронов в однородном образце начинает уменьшаться с ростом электрического поля. При этом плотность тока в образце на участке АВ (рисунок 3) будет

j = e (N ₁+N ₂) E. (1)

Наконец, при очень больших полях (Е=Е _v ) все электроны перейдут в верхнюю долину и плотность тока через образец (участок ВС рисунка 3) станет

j = eN ₂E, (2)

где N – общая концентрация электронов в зоне проводимости.

Таким образом, при напряженности поля выше порогового значения Е_пор вольт-амперная характеристика (ВАХ) ДГ имеет падающий участок (рисунок 4), на котором дифференциальная проводимость ДГ отрицательна

G_дг = j / E  0. (3)

Рисунок 4 – Вольт-ампеная характеристика ДГ

Отметим, что за счёт взаимодействия электронов с кристаллической решеткой полупроводника скорость электронов не превышает ~ 10⁷ см / с, т.е. имеет место явление « насыщения » при больших напряжённостях поля, и ток достигает некоторого постоянного значения – i _нас.

2.3 Образование домена сильного поля

В области отрицательной дифференциальной проводимости равномерное распределение заряда и поля в объёме полупроводника неустойчиво, и в нём могут возникнуть образования, называемые доменами. Их появление можно качественно пояснить следующим образом.

Приложенное внешнее поле согласно закону Кирхгофа распределяется по образцу полупроводника пропорционально сопротивлению его отдельных участков, поэтому при повышении напряжения пороговая напряженность поля достигается в области какой-то неоднородности, где имеется повышенное сопротивление полупроводника. Здесь возникает повышение концентрации «тяжёлых» и уменьшение «лёгких» электронов (рисунок 5).

Средняя скорость электронов станет убывать, что приводит к дальнейшему увеличению кажущегося сопротивления участка и повышения напряженности поля в нём.

Рисунок 5 – Идеализированный профиль легирования ДГ (а) и начальное распределение напряжённости электрического поля (б)

Одновременно поскольку общее напряжение, приложенное к пластинке полупроводника, постоянно, поле по обе стороны от данного участка будет убывать. Возникающий сгусток « тяжёлых» электронов будет под действием поля перемещается слева направо. Его будут догонять движущиеся позади «лёгкие» электроны, а «лёгкие» электроны, двигающиеся впереди, наоборот будут уходить от него. В результате возникает движущееся образование в виде сгустка электронов, перед которым создаётся область с их пониженной концентрацией, его называют доменом сильного поля (рисунок 6).

Благодаря нарастанию поля внутри сгустка его скорость увеличивается до состояния насыщения, а благодаря уменьшению поля вне его, скорости «легких» электронов уменьшаются и происходит их выравнивание, после чего домен движется с постоянной скоростью до исчезновения на аноде.

Описанный выше процесс формирования домена происходит за очень малое время _ф. Сформировавшийся домен имеет форму размытого треугольника (рисунок 6,а) и состоит из слоя накопления заряда, в котором концентрация электронов N превышает общую концентрацию электронов в зоне проводимости N ₀ в десятки раз, и слоя объединения, где NN₀ (рисунок 6,б).

Рисунок 6 – Образование домена сильного поля

Следует отметить, что пока домен не исчезнет, поле в образце будет меньше порогового значения, и образование нового домена произойдёт только после исчезновения первого. Поэтому ток во внешней цепи будет представлять собой последовательность импульсов, разделённый временем пролёта

_пр = d  υ_пр,

где d – длина пластины (рисунок 7);

υ_пр – скорость пролёта.

Рисунок 7 – Ток во внешней цепи ДГ