Диоды Ганна и генераторы на диодах Ганна

Принцип действия диода Ганна (ДГ) основан на использовании эффекта регулярных пульсаций тока, вызванных объёмной нестабильностью заряда, появляющейся в полупроводниках высокой степени легирования в больших полях. В полупроводниках (обычно это GaAs) при определённой концентрации и подвижности носителей заряда при подаче постоянного напряжения может возникнуть ситуация, при которой образуется неоднородность плотности заряда, т.н. «домен», перемещающейся от катода к аноду полупроводникового образца со скоростью дрейфа V_др.о. Сам «домен» является неоднородностью пространственного заряда, на одной из границ которого накапливается отрицательный заряд, на другой границе–положительный заряд, что в свою очередь приводит к возрастанию напряженности поля внутри домена и снижению напряженности поля вне домена (рис. ). Т.е. образование домена приводит к перераспределению потенциала вдоль полупроводника. Т.к. напряженность поля вне домена ниже, чем внутри домена, это препятствует образованию второго домена, пока существует первый. Но как только первый домен, дрейфуя со скоростью V_др.о, достигнет анода, он исчезает, создавая импульс тока во внешней цепи. И тут же в районе катода возникает очередной домен и он точно также перемещается к аноду со скоростью V_др.о. Т.е. домен–образование устойчивое; необходимым условием его существования является поддержание определенного соотношения между скоростью и подвижностью носителей зарядов. Частота повторений импульсов тока во внешней цепи определяется временем дрейфа _др =L_обр /v_{др .} Для GaAs v_др = 10⁷ см/с. Следовательно f_пр = 1/ _др =100/ L_обр .

С этой частотой в образце полупроводника формируются пульсации потока электронов, что приводит к периодическому изменению тока во внешней цепи генератора с частотой f_пр, а эти частоты соответствуют СВЧ диапазону.

Итак, частота выходного сигнала генератора на диоде Ганна (ГДГ) определяется длиной области дрейфа L_обр и напряжением, приложенным к полупроводниковому образцу. Тем не менее на практике в схемы ГДГ для стабилизации частоты включается резонатор, обычно–диэлектрический, выполненный в виде шайбы из диэлектрического материала с высоким значением . В этом случае частота выходного сигнала ГДГ будет определяться также и частотой настройки резонатора.

Применение стабилизирующих резонаторов в ГДГ позволяет

–повысить долговременную стабильность частоты выходного сигнала,

–увеличить Рвых и КПД ГДГ,

–снизить уровни собственных шумов и высших гармоник в выходном сигнале ГДГ,

–уменьшить вероятность возбуждения колебаний на паразитных частотах.

Современная электронная промышленность выпускает ДГ в волноводном, коаксиальном и МПЛ–исполнениях на частоты до 40ГГц и уровни выходной мощность в доли Вт. КПД ГДГ обычно не превышает 10%, стабильность частоты при использовании ДР –очень высокая; диапазон перестройки может достигать октавы, а скорость электронной перестройки также очень высокая– до 2ГГц/мкс.

Примеры промышленных ДГ: 3А725А…Е (5–8ГГц, 0,25Вт), 3А726А…Е (8–16ГГц, 0,2Вт), 3А728А..В (25–37ГГц 0.05Вт) и аналогичные.

В современной РЭА ГДГ широко используются в качестве источников гетеродинных сигналов в аппаратуре СВЧ диапазона.