14.3.3. Домены сильного поля. Динамика доменов

Принципиальная особенность ДГ, порождающая многообразие рабочих режимов данного АЭ, состоит в том, что в области ОДП рав­номерное распределение поля в объеме полупроводника неустой­чиво. За весьма малое время, которое будет оценено далее, оно ста­новится неравномерным. При этом в активном слое ДГ возникают области с повышенной напряженностью поля, называемые доменами сильного поля, или просто доменами (см. рис. 14.11).

В современных коротких (s < 10 мкм) ДГ развитие неустойчи­вости при постоянном напряжении на диоде обычно приводит к фор­мированию постоянного во времени пространственно неоднородного распределения электрического поля, характеризуемого наличием статического домена у анода (анодный домен; рис. 14.11, а). Если помимо U₀ на ДГ воздействует достаточно большое СВЧ-напряжение, вместо статического домена наблюдаются пульсации поля в про­странстве и во времени, связанные с периодическим возникновением и исчезновением движущихся доменов, принимающих форму слоя накопления (рис. 14.11, б) или дипольного домена (рис. 14.11, в, г). В «длинных» ДГ на рабочие частоты ниже 5 ГГц движущиеся домены возникают и при постоянном напряжении на ДГ. Пульсации тока, свя­занные с такими доменами, как раз и наблюдал Дж. Ганн в 1963 г.

Время формирования домена t_Ф.Д занимает примерно 50τ_1; где

— постоянная времени диэлектрической релаксации на

Рис. 14.11. Различные формы доменов сильного поля в диоде Ганна (я—в) и рас­пределение пространственного заряда при дипольном домене (г)

восходящей ветви характеристики скорость—поле; .

Пусть . Тогда . Полагая , что типично для 3-сантиметрового диапа­зона, получаем , т. е. имеем .

С повышением рабочей частоты ДГ n₀ также увеличивается, что поддерживает примерное равенство и периода колебаний, поэ­тому в реальных приборах стационарного состояния может дости­гать только статический домен.

Домен типа слоя накопления формируется со строго однородным профилем легирования и равномерным тепловым профилем. Начало домену дает случайное повышение концентрации электронов в какой-то точке активного слоя. Напряженность поля этого «затравоч­ного» сгустка электронов накладывается на напряженность равно­мерного поля Е₀, созданного источником питания, причем на участке от катода до сгустка электронов результирующее поле убывает, а между сгустком и анодом, наоборот, увеличивается. При Е₀ > Е_пор подобное изменение Е(х) вызывает рост со стороны катода и одновременно замедляет электроны, находящиеся ближе к аноду.

В результате исходный сгусток начинает пополняться электронами, формируя домен. Одновременно растущий слой накопления дви­жется к аноду со скоростью , промежуточной между и . Достигнув анода, сгусток электронов втягивается в него. Его исчез­новение восстанавливает высокую напряженность поля во всем активном слое, что создает условия для повторения процесса.

Современные технологии производства пленок GaAs,и InP не обеспечивают точного выполнения заданного профиля легирования. Хаотические отклонения концентрации доноров обычно составляют не менее 15 %. Слой накопления неустойчив и на первой же доста­точно большой неоднородности трансформируется в дипольный домен. Сформировавшийся дипольный домен имеет форму сглажен­ного треугольника (рис. 14.11, в). Он состоит из слоя накопления, в котором концентрация электронов n может превышать n₀ в десятки раз, и продолжающего его слоя обеднения, где n < n₀. Дипольный домен в целом электрически нейтрален, поэтому ширина слоя накоп­ления гораздо меньше, чем слоя обеднения. Максимальная напря­женность поля в домене , что создает опасность развития лавинного пробоя. Скорость дипольного домена примерно равна ско­рости электронов вне домена.

Вольт-амперная характеристика ДГ в режиме с развитым доменом приближенно представляется двумя отрезками прямых (рис. 14.12).

При малом напряжении и на ДГ домена нет и ток линейно растет вместе с приложенным напряжением. При переходе u через порого­вое значение U_uop = sE_nop возникает домен, в результате чего ток падает от максимального значения I_max до значения I_нас, соответству­ющего равенству . Перепад тока определяется параметром качества характеристики скорость—поле .

Рис. 14.12. Идеализированная ВАХ диода Ганна в классическом доменном режиме

Особенностью ВАХ на рис. 14.12 является гистерезисная зона, возникновение которой обусловлено тем, что напряжение гашения образовавшегося домена . Данный нелинейный эффект объясняется влиянием сильного внутреннего поля домена, которое стремится удержать электроны в верхних долинах.