БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ФАКУЛЬТЕТ РАДИОФИЗИКИ И КОМПЬЮТЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ
Методические указания к лабораторной работе
ИЗУЧЕНИЕ ЭФФЕКТА ГАННА
Минск
2010
СОДЕРЖАНИЕ
1. Цель и задачи работы
2. Эффект Ганна. Принцип работы и устройство диодов Ганна
3. Описание и работа установки
4. Методические указания по выполнению заданий
5. Указания по оформлению отчета
6. Контрольные вопросы
7. Список использованной литературы
1. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ
1.1. Цель работы
Целью работы является изучение эффекта Ганна, принципов работы СВЧ диодов на его основе и установление взаимосвязи между вольтамперными характеристиками диодов и выходными энергетическими параметрами.
1.2. Подготовка и задание к работе
изучить методические указания к лабораторной работе, обратив внимание на физическую сущность эффекта Ганна, устройство диода Ганна;
ознакомиться с работой установки для измерений ВАХ;
снять вольтамперную характеристику диода Ганна;
вычислить коэффициент потерь исследуемого генератора.
2. Эффект ганна принцип работы и устройство диодов ганна
Эффект Ганна был обнаружен в 1963 году сотрудником фирмы IBM Дж. Ганном в GaAs n-типа. В настоящее время он широко используется в полупроводниковой СВЧ-электронике, в частности, для генерирования СВЧ колебаний [1-5].
2.1. Физическая сущность эффекта Ганна
Сущность
эффекта Ганна заключается в возникновении
спонтанных осцилляций тока (СВЧ-колебаний)
в объеме однородного полупроводникового
образца при приложении к нему постоянного
электрического поля, большего некоторого
порогового значения (критическое
значение поля
=
3,5 кВ/см для GaAs и
=
6 кВ/см для InP).
Объяснение эффекта было дано на основе механизма междолинного перехода электронов в зоне проводимости (механизм Ридли - Уоткинса - Xилсума), предложенного еще до открытия эффекта. Рассмотрим этот механизм на примере полупроводника, имеющего два минимума (две долины) в зоне проводимости, в которых различается эффективная масса носителей заряда, их подвижность и плотность состояний. На рис. 1 схематически представлена структура зоны проводимости GaAs.
Рис.1. Энергетическая диаграмма зоны проводимости GaAs.
При комнатной температуре и слабом электрическом поле практически все электроны будут находиться в нижней долине. Плотность электрического тока, протекающего через образец
|
(1) |
где
-
заряд электрона,
-
концентрация электронов в равновесном
состоянии,
-
подвижность электронов, соответствующая
нижней долине,
-
величина приложенного электрического
поля.
|
(2) |
есть
средняя дрейфовая скорость электронов,
пропорциональная приложенному полю.
При
достаточно большом поле (
)
кинетическая энергия электронов может
возрасти больше, чем на
,
и они перейдут в верхнюю долину с большей
эффективной массой, которой соответствует
большая плотность состояний. При поле,
большем
,
почти все электроны будут находиться
в верхней долине. Соответственно, средняя
дрейфовая скорость станет равной
|
(3) |
Когда же поле таково, что часть электронов находится в верхней долине, а часть в нижней, плотность протекающего тока
|
(4) |
где
-
общее число электронов проводимости,
не зависящее от величины поля
,
а
|
(5) |
То
есть, при промежуточных значениях
электрического поля скорость электронов
при
может
уменьшаться с увеличением поля, если
убывает
быстрее, чем
.
Зависимость скорости электронов от
поля
для
GaAs имеет вид, показанный на рис.
2.
Рис.2. Зависимость скорости электронов от электрического поля.
Падающему
участку данной зависимости соответствует
отрицательное дифференциальное
сопротивление образца
,
которое, как показано, обусловлено
механизмом междолинного перехода
электронов в зоне проводимости. Наличие
отрицательного дифференциального
сопротивления согласно общей теории
генераторов указывает на возможность
генерации электрических колебаний.
Рассмотренный
механизм Ридли-Уоткинса-Xилсума указывает
также, что спонтанная осцилляция тока
под действием приложенного сильного
внешнего поля может быть получена в
любом многодолинном полупроводнике,
при
условии,
что долины имеют минимумы с разной
энергией и соответствующие плотности
состояний. Явление междолинного перехода
электронов, как указывалось, становится
возможным, когда к образцу приложено
сильное электрическое поле, которое
«разогревает» электроны, увеличивая
их кинетическую энергию больше, чем на
.
Подвижность же носителей заряда для
верхней долины значительно меньше
(эффективная масса больше), чем для
нижнего минимума (для GaAs, например,
,
).
Следовательно, в том месте образца, где электроны перешли в верхнюю долину, сопротивление становится выше, так как
|
(6) |
(Для нижней и верхней долины i = 1, i = 2 соответственно).
Центром образования области повышенного сопротивления может стать любая локальная неоднородность в полупроводнике, так как электрическое поле около нее будет несколько больше, чем в однородной части.
Образование
области повышенного сопротивления
начинается с того, что под действием
электрического поля, значение которого
около неоднородности выше, электроны,
находящиеся вблизи этой неоднородности
переходят в более высокоэнергетическое
состояние с меньшим значением подвижности
.
Поскольку поле в диоде Ганна из-за неоднородностей распределено неравномерно, то с большой вероятностью можно ожидать, что на неоднородности поле превысит значение раньше, чем в остальной части диода. Скорость электронов в области неоднородности будет уменьшаться с дальнейшим увеличением поля в соответствии с зависимостью v(E), изображенной на рис. 2. Первоначальная область сильного электрического поля станет расширяться за счет того, что к замедлившимся на этом участке электронам, догоняя их, «притекут» электроны из области образца, находящийся между катодом и этой областью, и таким образом образуется избыточный отрицательный заряд в прикатодной области. «Легкие» электроны, находящиеся ближе к аноду (перед областью избыточного отрицательного заряда), будут «убегать» к аноду, вследствие чего на переднем фронте образуется избыточный положительный заряд. Таким образом, объемный заряд области возрастает, возрастает и поле в ней. Образовавшийся дипольный слой называется доменом.
Если
внешнее напряжение, приложенное к диоду
Ганна, остается неизменным, то с ростом
домена поле вне его будет уменьшаться
(
),
уменьшается также и дрейфовая скорость
электронов
вне домена. Процесс увеличения объемного
заряда, усиления электрического поля
внутри домена продолжается до тех пор,
пока скорости электронов внутри и вне
домена не станут равными. Причем равенство
установится при скорости, меньшей
.
После этого сформировавшийся домен
сильного электрического поля дрейфует
с постоянной скоростью к аноду и исчезает
на нем. Затем образуется новый домен и
процесс повторяется.
В стационарном режиме образуется всегда только один домен. Действительно, в области повышенного сопротивления поле будет больше, чем в однородной части. Поэтому поле вне домена всегда меньше критического .
Обычно
формирование домена начинается вблизи
контактов, так как именно в приконтактных
областях сконцентрированы локальные
неоднородности. Домен, который участвует
в возникновении СВЧ колебаний, формируется
преимущественно у катода. Если же центром
образования области повышенного
сопротивления стала неоднородность
вблизи анода, то вырасти в домен за время
дрейфа
(где
-
расстояние от неоднородности до анода)
эта область не успеет, и неоднородность
электрического поля будет снесена на
анод электронным потоком. Время
формирования домена, возникающего у
катода, ограничено большей величиной:
.
Поэтому при наличии контактных
неоднородностей и у катода, и у анода
центрами образования доменов станут
участки повышенного поля именно вблизи
катода.
При
образовании домена плотность тока через
образец уменьшается от
до
,
остается
неизменной во время распространения
домена по диоду Ганна, и при исчезновении
домена на аноде плотность тока снова
увеличивается до
.
Вслед за этим образуется новый домен и
цикл повторяется. Таким образом, в цепи
диода Ганна возникают периодические
колебания тока.
Если
время формирования и исчезновения
домена значительно меньше времени его
пролета вдоль образца (
),
то и период возникающих колебаний тока
примерно равен времени пролета
.
Осцилляции тока имеют форму периодических
импульсов (рис.
3).
Уменьшение тока от максимального
до
некоторого минимального значения
происходит
по мере формирования домена. Минимальное
значение тока
остается
постоянным, пока домен перемещается к
аноду. Распад домена на аноде сопровождается
увеличенном тока до
,
после чего снова образуется новый домен.
Период колебаний тока
.
Если
длина образца
,
,
то частота колебаний
.
Рис.3. Колебания тока в цепи с диодом Ганна
2.2. СВЧ-генератор на основе эффекта Ганна
Прибором, реализующим эффект ганновской генерации, является диод, построенный на основе однородного полупроводникового образца (чаще – GaAs). Конструкция диода Ганна представлена на рис. 4.
Рабочая
часть диода – пластинка толщиной
10
мкм из однородного GaAs (концентрация
носителей заряда
).
С обеих сторон рабочей части созданы
приконтактные
-
области GaAs (концентрация носителей
заряда
)
толщиной примерно равной 100 мкм.
Трехслойная полупроводниковая структура (1) помещена в керамический корпус (6). Над одним из приконтактных n+ - слоев создан металлический катодный контакт (2), к которому присоединяются контакты – проволочки из золота (3), припаянные к внешнему выводу катода (5). Другой приконтактной - подложкой полупроводниковая структура присоединена к теплопроводящему медному выводу (7), выполняющему функцию анода.
Работа генераторного диода непосредственно на включенную последовательно с ним нагрузку имеет очень низкий КПД. Существенное увеличение КПД генератора, а также расширение частотного диапазона можно получить, применяя настраиваемую LCR - цепь (колебательный контур). Поскольку чаще диоды Ганна применяются для СВЧ генерации, то такой настраиваемой LCR - цепью является объемный резонатор.
На рис.5 представлена конструкция генератора СВЧ, выполненного по авторскому свидетельству СССР № 608402 и используемого в работе. Генератор СВЧ включает в себя одноволновый прямоугольный резонатор 1, в центре которого установлен диод Ганна 2, подвод постоянного напряжения к диоду осуществляется через анодированный штырь 3, который изолирован по постоянному току от корпуса резонатора. В то же время между штырем 3 и корпусом существует емкость, достаточная для короткого замыкания токов СВЧ. Один конец резонатора коротко замкнут, а на другом выполнено отверстие связи 4 для вывода мощности СВЧ-колебаний в нагрузку. Элементом перестройки частоты резонатора являются два равновеликих жестко связанных между собой штыря 5, которые выполнены с возможностью перемещения вдоль своей оси. Так как штыри 5 расположены на расстоянии /4 и /4 от короткозамкнутого конца резонатора в пучностях электрической составляющей СВЧ поля, то их перемещение приводит к изменению сосредоточенных емкостей и перестройке генератора. В то же время, из-за того, что штыри 5 перемещаются совместно, структура СВЧ поля в месте расположения диода Ганна не меняется, то есть диод Ганна согласован с резонатором при любом положении штырей при их совместном перемещении. Этим обеспечивается получение высокой генерируемой мощности СВЧ в диапазоне рабочих частот генератора.
Рис.4. Конструкция диода Ганна.
Рис.5. Генератор на основе диода Ганна.