ДІОДИ ГАННА

•Діод Ганна - напівпровідниковий діод, що складається з однорідного напівпровідника, що генерує високочастотні коливання при прикладанні постійного електричного поля.

•Фізичною основою, що дозволяє реалізувати такі властивості в діоді, є ефект Ганна, який полягає в генерації високочастотних коливань електричного струму в однорідному напівпровіднику з N-подібною вольт-амперною характеристикою.

•Ефект Ганна виявлений американським фізиком Дж. Ганном (J. Gunn) в 1963 г. в кристалі арсеніду галію (GaAs, сполука А3В5) з електронною провідністю. Ганн виявив, що при

прикладанні електричного поля E (Eпор ≥ 2-3 кВ/см) до однорідних зразків з арсеніду галію n- типу в зразках виникають спонтанні коливання струму. Пізніше він встановив, що при E> Eпор

у зразку, зазвичай у катода, виникає невелика ділянка сильного поля - «домен», який дрейфує від катода до анода зі швидкістю ~ υ = 106 м/с і зникає на аноді. Потім у катода формується новий домен, і процес періодично повторюється. Моменту виникнення домену відповідає падіння

струму, що протікає через зразок. Моменту зникнення домену у анода - відновлення колишньої величини струму. Період коливань струму приблизно дорівнює прогонному часу, тобто часу, за який домен дрейфує від катода до анода.

Опанасюк А.С. 11

ЗОННА СТРУКТУРА МАТЕРІАЛУ

•Ефект Ганна спостерігається головним чином у двухдолинних напівпровідниках, зона провідності яких складається з однієї нижньої долини і кількох верхніх долин. Для того, щоб при переході електронів між долинами виникав від'ємний диференціальний опір, повинні виконуватися наступні вимоги:

•середня теплова енергія електронів повинна бути значно меншою енергетичного зазору між побічною та нижньою долинами зони провідності, щоб за відсутності прикладеного зовнішнього електричного поля більша частина електронів перебувала у нижній долині зони провідності;

•ефективні маси і рухливості електронів у нижній і верхніх долинах повинні бути різними. Електрони нижньої долини повинні мати високу рухливість μ1, малу ефективну масу m1* і низку густину станів. У

верхніх побічних долинах електрони повинні мати низьку рухливість μ2, більшу ефективну масу m2* і високу густину станів;

•енергетичний зазор між долинами повинен бути меншим, ніж ширина забороненої зони напівпровідника, щоб лавинний пробій не наступав до переходу електронів в верхні долини.

•З вивчених і таких що знайшли застосування напівпровідникових матеріалів переліченим вимогам

найбільше відповідає арсенід галію (GaAs) n-типу.

Розглянемо міждолинний перехід електронів в GaAs. Прикладемо до однорідного зразку електричне поле. Якщо напруженість поля в зразку мала, то всі електрони перебувають у нижній долині зони провідності (в центрі зони Бріллюена). Оскільки середня теплова енергія електронів значно менша енергетичного зазору між дном верхньої та нижньої долин зони провідності, вони не переходять в верхню долину (рис. ).

Схематична діаграма, що показує енергію електрона в залежності від хвильового числа в області мінімумів зони провідності арсеніду галію n-типу

Опанасюк А.С. 12

МЕХАНІЗМ ГЕНЕРАЦІЇ

•Електрони нижньої долини мають малу ефективну масу m1* і високу рухливість μ1. Густина струму, що проходить через зразок, визначається концентрацією електронів у нижній долині n1 (n1 = n0, де n0 - рівноважна концентрація електронів в напівпровіднику):

J = en1υ = en1μЕ.

Збільшимо прикладена електричне поле. З ростом поля зростає швидкість дрейфу електронів. На довжині вільного пробігу l електрони набирають енергію eEl, віддаючи при зіткненнях з фононами кристалічної гратки меншу енергію. Коли напруженість поля досягає порогового значення Eпор, з'являються електрони,

здатні переходити в верхню долину зони провідності.

•Подальше збільшення поля приводить до зростання концентрації електронів у верхній долині. Перехід з

нижньої долини у верхню супроводжується значним зростанням ефективної маси і зменшенням рухливості, що веде до зменшення швидкості дрейфу. При цьому на вольт-амперній характеристиці зразка з'являється ділянка з негативним диференціальним опором (НДО)

N-подібна вольт-амперна характеристика

Опанасюк А.С. 13

МЕХАНІЗМ ГЕНЕРАЦІЇ

•Для виникнення від'ємного диференціального опору необхідний одночасний перехід більшості електронів з центральної долини в бічну при пороговій напруженості електричного поля (рис.). Але отримати статичну ВАХ, що відповідає суцільний кривій, не вдається, тому що в кристалі або поблизу невипрямних контактів завжди є неоднорідності, в результаті чого виникають локальні напруженості електричного поля, які перевищують середню напруженість.

•Перетворення в цих місцях «легких» електронів у «важкі» ще більше збільшує неоднорідність електричного поля. Тому практично не відбувається одночасний перехід більшості електронів в кристалі з центральної долини в бічну і статична ВАХ залишається без ділянки з НДО.

Розподіл електронів при різних значеннях напруженості поля

Опанасюк А.С. 14

УТВОРЕННЯ ДОМЕНІВ

•Розглянемо зразок довжиною l, до якого прикладена зовнішня напруга. В однорідному напівпровіднику електричне поле приблизно однаково по всій довжині зразка. Але якщо в зразку є локальна неоднорідність із підвищеним опором, то напруженість поля в цьому місці зразка буде вищою, отже при збільшенні напруженості зовнішнього поля критичне значення Eпор виникне в першу чергу в цьому перерізі. Це означає накопичення в цій області (а не в усьому кристалі) важких електронів і зниження їх рухливості, а значить і підвищення опору. Новоутворена зона з високим вмістом важких електронів називається електричним доменом. Під дією прикладеного поля домен починає переміщатися уздовж зразка зі швидкістю υ ~ 106 м/с. Ліворуч і праворуч від електронного домену рухатимуться легкі електрони з більш високою швидкістю, ніж важкі. Зліва вони будуть наганяти домен і утворювати область підвищеної концентрації електронів (область негативного заряду), а праворуч легкі електрони будуть іти вперед, утворюючи область, збіднену електронами (область позитивного заряду).

При незмінній напрузі встановиться динамічна рівновага між швидкостями електронів усередині і поза домену. При досягненні

доменом кінця зразка (анода), домен руйнується, струм зростає, відбувається утворення нового домену, і процес повторюється заново. Незважаючи на те, що в кристалі може бути кілька неоднорідностей, завжди існує тільки один домен. Оскільки після зникнення електричного домену новий домен може виникнути на іншій неоднорідності, для спостереження і використання ефекту Ганна потрібні дуже чисті та однорідні зразки.

Утворення домену у напівпровіднику

Опанасюк А.С. 15

РЕЖИМ ПРОЛЬОТУ

•Режим роботи діода Ганна на ефекті міждолинного переходу електронів, при якому виконується нерівність

n0l > 1012 см-2, де l довжина зразка;

називається режимом прольоту. Для його реалізації необхідно включити діод в паралельне

резонансне коло, наприклад, в НВЧ - генератор з високою добротністю, налаштований на пролітну частоту (f = υД l). В прольотному режимі на кривій залежності струму від часу будуть спостерігатися різкі сплески, якщо довжина зразка значно перевищує ширину домену (Рис.). Для

отримання форми коливань струму, близької до синусоїдальної, необхідно зменшувати довжину зразка або збільшувати ширину домену. Ширину домену можна збільшити, зменшуючи концентрацію електронів (n0) в зразку.

Залежність струму від часу при роботі діода Ганна в прольотному режимі

Опанасюк А.С. 16

УМОВА РЕАЛІЗАЦІЇ ГЕНЕРАЦІЇ

•При роботі діода в резонаторі до нього крім постійного зовнішнього зміщення виявляється прикладеним також НВЧ - поле, що виникає в резонаторі за рахунок коливань струму, що протікає через діод. Припустимо, що НВЧ - поле змінюється в часі за гармонічним законом, а резонатор налаштований на частоту вищу пролітної (f > υДl). Тоді при достатньо великій амплітуді НВЧ - поля дипольний домен в зразку може розсмоктатися не доходячи до анода. Для цього необхідно, щоб в напівперіод, коли вектори напруженості постійного і СВЧ - поля протилежні, сумарна напруженість поля була б меншою Eпор, а тривалість напівперіоду була б більшою часу релаксації Максвелла τМ, що відповідає позитивній рухливості. З точністю до чисельного коефіцієнта останню умову можна записати так:

f--1>εε0/en0µ або n0/f > εε0/eµ

Для GaAs і InP n0/f > 104 с/см3. Отримана нерівність є умовою реалізації режиму роботи діода з придушенням домену. У цьому режимі в кожен «позитивний» напівперіод СВЧ - поля в діоді E > Eпор і у катода зароджується домен, а в кожен «негативний» напівперіод він розсмоктується на шляху до анода. Таким чином, генерація

змінного струму в цьому випадку відбувається на частоті, яка визначається параметрами резонансного електричного кола.

Якщо забезпечити одночасне виконання двох нерівностей:

ε ε0/eµ < n0/f < εε0/e µ- ,

де μ- - негативна диференціальна рухливість, що відповідає ділянці вольт-амперної характеристики з негативною диференціальної провідністю;

то діод Ганна працюватиме в режимі обмеженого накопичення об'ємного заряду (ОНОЗ). Для GaAs і InP - 104 < n0/f < 105 с/см3. Оскільки в отриманій нерівності період НВЧ - сигналу менший τМ, що відповідає від'ємній диференціальної рухливості, то в напівперіод, коли E > Eпор, домен сильного поля не встигає повністю сформуватися, а в наступний напівперіод (E < Eпор) він повністю розсмоктується. При цьому буде спостерігатися зростання опору зразка в один напівперіод НВЧ - сигналу і спад його в інший, що викликає ефективну генерацію потужності на частоті, яка

визначається параметрами зовнішнього електричного кола.

Опанасюк А.С. 17

ГЕНЕРАЦІЯ НВЧ-КОЛИВАНЬ В ДІОДАХ

•Як будь-який генератор НВЧ - діапазону, генератор Ганна характеризується потужністю, що генерується,

довжиною хвилі, або частотою коливань, що генеруються, коефіцієнтом корисної дії, рівнем шумів та іншими параметрами. Вихідна безперервна потужність генераторів Ганна в прольотному режимі звичайно становить десятки - сотні міліват, а при імпульсній роботі досягає сотень ват.

•Робоча частота в прольотному режимі обернено пропорційна довжині або товщині високоомної частини кристала (f = υ/l). Зв'язок між потужністю, що генерується і частотою можна представити у вигляді:

Pвих = U2/z = E2l2/z = E2υ2/zf2 ~ 1/f2

•Потужність НВЧ - коливань, що генеруються, залежить від повного опору z або від площі робочої частини високоомного шару напівпровідника. Наведене співвідношення вказує на те, що очікувана зміна потужності з частотою пропорційна 1/f2. Верхня межа робочої частоти діодів Ганна становить сотні гігагерць (рис.).

Генератори Ганна з GaAs можуть генерувати НВЧ - коливання від 1 до 50 ГГц. Дещо більші частоти отримані на генераторах Ганна з InP у зв'язку з більшими значеннями максимальних швидкостей електронів, але якість приладів із цього матеріалу значно нижча через недостатнє відпрацювання технології виготовлення матеріалу. Перевага InP перед

GaAs - більше значення порогової напруженості електричного поля (10,5 і 3,2 кВ/см відповідно). Це повинно дозволити створити генератор Ганна з більшою вихідною потужністю. Для створення більших частот коливань, що генеруються представляють інтерес потрійні сполуки GaInSb, оскільки в них великі дрейфові швидкості електронів. Ефект Ганна спостерігається, крім GaAs і InP, в електронних напівпровідниках CdTe, ZnS, InSb, InAs та ін., а також в Ge з дірковою провідністю.

НЕДОЛІКИ ТА ПЕРЕВАГИ ГЕНЕРАТОРІВ ГАННА

•Коефіцієнт корисної дії генераторів Ганна може бути різним (від 1 до 30%), оскільки технології виготовлення приладів і якість вихідного напівпровідникового матеріалу істотно розрізняються. У зв'язку з можливою наявністю в кристалі генератора Ганна декількох неоднорідностей зародження домену може відбуватися в різні моменти часу на різній відстані від анода. Тому частота коливань буде змінюватися, тобто можуть виникати частотні шуми. Крім частотних шумів в генераторах Ганна існують амплітудні шуми, основною причиною появи яких є флуктуації у швидкостях руху електронів. Зазвичай амплітудні шуми в генераторах Ганна малі, оскільки дрейфова швидкість в сильних електричних полях, що існують в цих приладах, насичена і слабко змінюється при зміні електричного поля.

•Важливим для практичного застосування генераторів Ганна є питання про можливість їх частотної перебудови у досить широкому діапазоні. З принципу дії генератора Ганна ясно, що частота його повинна слабо залежати від прикладеної напруги. Зі збільшенням прикладеної напруги трохи зростає товщина домену, а швидкість його руху змінюється незначно. В результаті

при зміні напруги від порогової до пробивної частота коливань збільшується всього на десяті доля відсотка.

•Термін служби генераторів Ганна відносно малий, що пов'язано з одночасним впливом на кристал напівпровідника таких факторів, як сильне електричне поле і перегрів кристала через виділення в ньому потужності.

Опанасюк А.С. 19

ОПТОЕЛЕКТРОНІКА

•Оптоелектроніка (ОЕ) - це розділ електроніки, що зв'язаний головним чином з вивченням ефектів взаємодії між

електромагнітними хвилями оптичного діапазону і електронами речовини (переважно твердих тіл), та охоплює проблеми створення оптоелектронних приладів, у яких ці ефекти використовуються для генерації, передачі, обробки, збереження та відображення інформації.

•Оптоелектроніку характеризують три основні риси.

•1. Фізичну основу оптоелектроніки складають явища, методи, засоби, для яких принципово сполучення і нерозривність оптичних та електронних процесів. У широкому сенсі оптоелектронний пристрій визначається як прилад, що чутливий до електромагнітного випромінювання у видимій, інфрачервоній (ІЧ) чи ультрафіолетовій (УФ) областях; чи прилад, що випромінює і перетворює некогерентне або когерентне випромінювання у цих же спектральних областях. В оптоелектронних процесах відбуваються перетворення виду Е → L (у випромінювачах) та L → Е (у фотоприймачах), а також L → L (під час розповсюдження випромінювання), де L і Е оптичне і електричне збурення.

•2. Технічну основу ОЕ-ки визначають конструктивно–технологічні концепції сучасної мікроелектроніки: мініатюризація елементів; переважний розвиток твердотільних площинні конструкцій; інтеграція елементів; інтеграція елементів і функцій; орієнтування на спеціальні надчисті матеріали; використання методів групової обробки виробів, таких як епітаксія, фотолітографія, нанесення тонких плівок, дифузія, іонна імплантація, плазмохімія.

•3. Функціональне призначення ОЕ-ки полягає у розв’язанні задач інформатики: генерації інформації шляхом перетворення різних зовнішніх впливів у відповідні електричні та оптичні сигнали; переносі інформації; перетворенні інформації за заданим алгоритмом;

•збереженні інформації, включаючи такі процеси, як записування, зчитування, стирання; відображення інформації.

•Для розв’язання цих задач в ОЕ - них пристроях використовують інформаційні сигнали в оптичній та електричній формах, але визначаючими є оптичні сигнали. Часто ОЕ - ний пристрій фактично є оптичним, а електроніка виконує допоміжні "обслуговуючі" функції. В таких випадках "оптоелектроніка - це оптика, що керується електронікою". Відзначимо, що перехід до оптичних систем (з "відсуванням електроніки" на периферію) дає максимальний ефект.

ОЕ - ка синтезує досягнення ряду областей: квантова електроніка, напівпровідникова техніка, оптика, фото електроніка, електрооптика, світлотехніка, нелінійна оптика, голографія, волоконна оптика, ІЧ-техніка.

20