20. Диоды с положительным динамическим сопротивлением: смесительные диоды: конструкция, вах, вч параметры, эквивалентная схема. Особенности схемотехнического применения. Принцип действия смесителя.

*ВАХ, эквивалентная схема и ВЧ параметры (по большей части) те же что и у ДД

Смесительный полупроводниковый диод – это полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования высокочастотных сигналов в сигнал промежуточной частоты.

Рис. 1. Модель смесительного диода

Эквивалентная схема всех разновидностей смесительных диодов с учётом реактивных элементов корпуса приведена на рисунке.

Рис. 2. Эквивалентная схема смесительного диода

Здесь переход представлен дифференциальными параметрами: сопротивлением перехода rпер= ∂U / ∂i и барьерной ёмкостью Cбар. Потери в базе диода, омических переходах и выводах отображены последовательным сопротивлением потерь rб, индуктивность выводов и контактной пружинки — Lк, конструктивная ёмкость между выводами при отсутствии контакта с диодной структурой — Cк.  Падения напряжения на rб и rк приложенноек переходу напряжение оказывается меньше, чем подведённое к диоду, а ёмкость Cк шунтируетего. Эти параметры называют паразитными. Типичные значения Cк, и Lк— десятые доли пикофарады и наногенри соответственно, rб — десятые доли или единицы ома. У бескорпусных диодов значение Cк и Lк примерно на порядок меньше, благодаря чему их эффективность выше. Значение дифференциального сопротивления rпер можетизменяться в широких пределах в зависимости от положения рабочей точки ВАХ диода, значение Cбар — десятые доли пикофарад. Параметры схемы можно определить путём измерений на низких частотах или приближенно на основе процесса выпрямления. 

Рис. 3. ВАХ смесительного диода

Основным параметром смесительных диодов, определяющим эффективность преобразования входных сигналов высокой частоты в сигналы промежуточной частоты, является параметр L_прб называемый потери преобразования смесительного диода и равный отношению мощности СВЧ-сигнала на входе диодной камеры к мощности сигнала промежуточной частоты, выделяемой в нагрузке смесительного диода в рабочем режиме.

Граничная частота:

Рис. 4. Пример схемы со смесительным диодом

К смесительному диоду подводится сигнал и напряжение от специального генератора – гетеродина. В связи с нелинейностью ВАХ диода происходит образование сигнала разностной (промежуточной) частоты. Дальнейшее усиление входного сигнала осуществляется на этой промежуточной частоте, которая должна быть выше частот, соответствующим низкочастотным шумам, обратно пропорциональным частоте.

Рис. 5. Уровень шума на разных частотах

В большинстве приемных устройств СВЧ-диапазона отсутствуют усилители перед смесителем. Поэтому чувствительность всего приемного устройства, возможность различить полезный сигнал на фоне шумов зависят от уровня шумов смесительного диода. Уровень шумов смесительного диода (и других приборов) оценивают шумовым отношением nш – отношением номинальной мощности шумов диода в рабочем режиме к номинальной мощности тепловых шумов соответствующего активного сопротивления при той же температуре и одинаковой полосе частот.

Другим параметром, характеризующим шумы смесительного диода и других приборов и систем, является коэффициент шума – отношение мощности шумов на выходе к той ее части, которая вызвана тепловыми шумами источника сигнала:

Рис. 6. Схема с малошумящим усилителем и смесительным диодом

Обобщенным параметром приемного устройства, в смесителе которого использован диод с определенными потерями преобразования и шумовым соотношением, является нормированный коэффициент шума – значение коэффициента шума приемного устройства со смесительным диодом на входе при коэффициенте шума усилителя промежуточной частоты Fупч, равном 1,5 дБ

Одним из вспомогательных параметров смесительных диодов служит выпрямительный ток Iвп – постоянная составляющая тока, протекающая в выходной цепи диода в рабочем режиме. Этот параметр используется для контроля исправности смесительного диода и гетеродина приемника, от которого на смесительный диод подается определенная мощность СВЧ-колебаний с определенной длинной волны.

Другим вспомогательным параметром является коэффициент стоячей волны по напряжению СВЧ-диода Kст – коэффициент стоячей волны по напряжению в передающей линии СВЧ, когда она нагружена на определенную диодную камеру с СВЧ-диодом в рабочем режиме. Чем лучше согласовано входное сопротивление камеры (с диодом) с волновым сопротивлением тракта, тем меньше коэффициент стоячей волны по напряжению и потери принимаемого сигнала.

Рис. 7. Потери преобразования

Рис. 8. Виды смесительных диодов

Рис. 9. Выходной сигнал смесительного диода

— принимаемый сигнал;

— сигнал высокочастотной помехи;

— сигнал генератора гетеродина;

Пусть, В = 0, то есть прием идет при полном отсутствии помех. Тогда:

.

Рассмотрим, какие частоты будут формироваться при таком воздействии на миксер. Как видно из последнего выражения, первые два члена не дают изменения исходного спектра сигналов. Генерация новых, или комбинационных частот происходит благодаря квадратичному члену. Примем, что сигналы таковы, что он играет определяющую роль в формировании суммарного тока диода. Тогда последнее выражение можно будет преобразовать следующим образом:

Как видно из последнего выражения, квадратичный член дает такие слагаемые в конечном выражении, как . Таким образом, миксер, как и ожидалось, дает на выходе некоторый сигнал, в спектре которого содержится сигнал с разностной частотой. И чем больше сигнал гетеродина, тем больше будет полезный сигнал на разностной частоте.

Проанализируем полученный результат. На вход миксера подавались сигналы с частотами и . На выходе получаем набор частот:

и — исходные частоты;

— выпрямленный сигнал;

n_SA и m_Lo — гармонические члены;

n_SA + m_Lo — сигналы с комбинационными частотами.

В отличие от идеального рассмотрения при изменении амплитуды сигнала и наличии помехи будет очень много малых сигнальчиков, которые стоит учитывать, но среди них стоит выделить сигнал зеркальной частоты. Если с помощью гетеродина преобразовывается полезный сигнал, то он превращается в fim. И если попробовать преобразовать частоту, которая отстоит от f_LO вниз на такое же расстояние, то она будет так же преобразовываться в fim, в промежуточную частоту. Например, если взять радио и выбрать частоту нужного канала, то можно услышать при этом еще одну подстанцию, которая находится на зеркальной частоте. Чтобы такого не происходило ставят фильтры зеркального канала.

В миксере наличие такой частоты может быть обусловлено тем, что в спектре входного сигнала присутствует не только частота f_S, но и некоторые помехи, то есть В не равно нулю. Рассмотрим, как отреагирует миксер на существование сигнала с зеркальной частотой. Как видно из рисунка,

.

Тогда, как и для преобразования сигнала с частотой f_S, для зеркальной частоты можно будет записать:

.

Иными словами, сигнал с зеркальной частотой преобразуется на ту же промежуточную частоту, что и полезный сигнал, что приводит к резкому ухудшению качества работы устройства.

Теперь предположим, что В — амплитуда помехи произвольной частоты. Пусть, В достаточно велико. Тогда в выходном спектре появятся комбинации вида и т.д. Таким образом, на сигнал промежуточной частоты добавляются помехи с другими частотами. Такое явление получило название интермодуляции.

Применение смесительных диодов Для того, чтобы смесительный диод одновременно включить в высокочастотный тракт и цепь выпрямленного тока применяют смесительные секции (смесители). Смесители отличаются от детекторов наличием еще одного входа для подключения гетеродина. 

Смеситель совместно с гетеродином входит в состав преобразователя. Преобразование частоты широко используется в супергетеродинных приёмниках для получения промежуточной частоты. Актуальной на сегодняшний день является задача повышения эффективности специальных технических средств по приёму сигналов радиорелейных линий связи в условиях стационарных объектов, для спутниковой связи, телевидения, в возбудителях и гетеродинах для переноса сетки стабильных частот в 

более высокий диапазон, в ретрансляторах для сдвига частоты передачи  относительно частоты приёма и т.д. Одним из путей повышения их эффективности является разработка широкого ряда малошумящих преобразователей (МШПР), в состав которых входит смеситель. 

Смесительный диод

Рис. 10. Простейшая схема смесителя

На рисунке изображена схема простейшего преобразователя частоты. В ней на смесительный диод СД подаются сигналы от антенны А и от гетеродина. На диод подается также постоянное смещение от источника U. Полосно-пропускающий фильтр ППФ (преселектор) позволяет настроиться на сигнал с нужной частотой. Сигнал гетеродина поступает на СД через направленный ответвитель НО. Смещение на диод подается через фильтр нижних частот, образованный компонентами Сф, Lф2. Сигнал промежуточной частоты поступает на усилитель промежуточной частоты (УПЧ) через индуктивность

Lф1, препятствующую прохождению на вход усилителя высокочастотных

составляющих спектра. Для согласования диода с микроволновым трактом используется плунжер Пл.

Общие требования, предъявляемые к входным смесителям,  следующие: 

• минимальный коэффициент шума Fнорм и потери преобразования L ; 

• равномерность амплитудно­частотной характеристики и линейность фазо­частотной характеристики (ФЧХ); 

• минимальный уровень мощности гетеродина;  максимальная развязка трактов гетеродина и сигнала СВЧ;  максимальное подавление нежелательных продуктов преобразования; 

• низкий КСВН по сигнальному и гетеродинному входам; надёжность работы; 

• малые габаритные размеры и масса. 

21. Диоды с положительным динамическим сопротивлением: управляющие диоды: конструкция, ВАХ, ВЧ параметры, эквивалентная схема. Связь физико-топологических параметров прибора с его статическим и динамическими (ВЧ) параметрами. Особенности схемотехнического применения: переключатели, ограничители, фазовращатели, аттенюаторы.

Введение

Можно выделить два вида диодов, с положительным и отрицательным динамическим сопротивлением. К положительным относятся диоды с p-n переходом, с барьером Шоттки, p-i-n диоды, они используются в цепях управления колебаниями, например в переключателях, ограничителях, фазовращателях, детекторах, смесителях.

Рассмотрим p-i-n диоды.

В случае детекторных и смесительных диодов, малые уровни мощности, которые они могут коммутировать, ограничивают сферу их использования. Для коммутации мощных сигналов были разработаны p-i-n диоды, или по-другому управляющие диоды

Конструкция, структура, принцип действия.

P-i-n диоды представляют собой структуру, соответственно содержащую p, n слой, между которых встроен нелегированный i-cлой (intrinsic – собственный). Принцип действия прибора основан на сильном различии полного сопротивления СВЧ сигналу при прямом постоянном токе через диод и при обратном постоянном напряжении на диоде.

Структура представлена на рисунке 1.

Рисунок 7

Структура – полупроводник, чаще всего кремний, с двумя сильнолегированными областями и типа ( ). Удельное сопротивление i-области составляет около … Ом см. На внешней стороне и областей находятся омические контакты. Площадь активной части диода составляет В i области наблюдается слабая дырочная проводимость в случае Si, слабая электронная в случае Ge. Такая вот структура, ебать.

ВАХ

ВАХ диода имеет положительную ветвь, по сравнению с детекторным p-n диодом сдвинутую в сторону более высоких напряжений. Наличие же в p-i-n диоде i-области уменьшает напряженность электрического поля в базе и способствует увеличению пробивного напряжения при обратном смещении. В целом получается более резистивный характер прямой ветви, что обеспечивается низколегированной i-областью. ВАХ изображена на рисунке 2.

Рисунок 8

Стоит только повернуть вправо вах детекторного диода…

ВЧ параметры

Для описания каждого параметра, рассмотрим работу p-i-n диода. Изменение управляющего напряжения показано на рисунке 3. В начальный момент диод смещен в обратном направлении, это обеспечивается напряжением , ток через диод равен току насыщения , он мал. Переменное напряжение на диоде определяется уровнем падающей мощности и непосредственно шунтирующим действием емкости. Далее, при изменении полярности управляющего напряжения в высокоомную i-область, происходит инжекция подвижных носителей зарядов из и областей, которые образуют электронно-дырочную плазму. Первый ВЧ параметр (это же он? Извините я тупой как пробка), время заполнения i-области подвижными носителями заряда рассчитывается по формуле

Рисунок 9

Рассмотрим данный рисунок. По мере заполнения i-области ток через диод увеличивается, этот временной интервал называется временем включения. (его описание представлено выше).

После того как ток достигает максимального значения, сопротивление становится минимальным, микроволновое напряжение на диоде падает практически до нуля (так как э/м волна полностью отражается от диода). При изменении полярности, число подвижных носителей заряда не меняется мгновенно, в этот момент обратный ток по амплитуде равен прямому, а затем начинается процесс вытягивания носителей заряда из i-области и их рекомбинация, ток через диод уменьшается. После того, как носители заряда закончатся, сопротивление диода резко возрастает, а ток через него уменьшается до - . Время от момента переключения до момента достижения обратным током установившегося значения называют временем восстановления.

Сопротивление i-области можно рассчитать по формуле

Где 1/(q ) – заданная удельная проводимость, длина базы, S – площадь базы.

Полная формула:

Где общий заряд подвижных носителей в i-области равен току, умноженному на время рекомбинации этих носителей в этой области, т.е

Зависимость сопротивления для протекающего тока показана на рисунке 4.

Рисунок 10

Сопротивление i-области не зависит от площади контакта.

Эквивалентная схема

Стоит отметить, что она включает в себя барьерную емкость, паразитное последовательное сопротивление контактов, емкость корпуса и индуктивность контактов. На рисунке 5 изображены эквивалентные схемы диода, включенного в прямом и обратном направлении.

Рисунок 11

Связь физико-топологических параметров прибора с его статическим и динамическими (ВЧ) параметрами. (эта надпись меня не остановит, потому что я не умею читать)

Граничная частота диода определяется емкостью плоского конденсатора, в качестве которого выступает структура прибора. Соответственно, уменьшение емкости приводит к увеличению граничной частоты. Формула емкости

Таким образом, для уменьшения емкости стоит увеличивать толщину слоя собственного проводника.

Количественная оценка качества коммутации определяется двумя основными параметрами. (думаю относится и к особенностям схемотехнического применения)

Потери пропускания:

В методе кстати стоит минус перед выражением, эта формула с его лекций

Изоляция

Необходимо отметить, что с увеличением падающей мощность, растет также и микроволновое напряжение на диоде, уровень инжекции становится больше, соответственно становится больше заряд подвижных носителей на базе, что приводит к уменьшению сопротивления диода. Уменьшение мощности сигнала на выходе возникает из-за отражения от диода, только малая часть рассеивается внутри него.

Особенности схемотехнического применения: переключатели, ограничители, фазовращатели, аттенюаторы.

Переключатели.

Схема представлена на рисунке 6 и 7.

Рисунок 12

Здесь потери пропускания – это отношение мощности, прошедшей через переключатель к падающей мощности в режиме пропускания. А изоляция

Характеризуется мощностью, прошедшей через переключатель, к падающей мощности в режиме отражения сигнала.

От переключателей главные требования – это малые потери мощности в режиме пропускания, а также высокая изоляция в режиме запирания и низкие нелинейные искажения. На данный момент возможно получить потери пропускания около 0,5 дБ, а изоляцию более 30 дБ.

Рассмотрим схему переключателя на два канала.

Рисунок 13

Здесь представлена схема переключателя на 2 канала. Это классический SPDT – Single Pole Double Throw, в настоящее время у которого появилась лучшая альтернатива – MEMS – Micro Electro Mechanic System. Его конструкция представлена на рисунке 8.

Рисунок 14

Такой прибор можно использовать как обычный механический ключ в низкочастотном диапазоне. В отличие от p-i-n диодов, их параметры превосходят данные в низкочастотной области, обеспечивают малые искажения и потери.

Фазовращатели

Схема дискретного фазовращателя и таблица управляющих сигналов представлена на рисунке 9.

Рисунок 15

На схеме представлены отрезки линии передачи и шлейфы различной длины. Коммутирующие ключи представлены в виде шести диодов. Они определяют путь, по которому идет волна. Состояние этих ключей определяется управляющими сигналами, подаваемыми от источников А, В, С. Справа на рисунке представлена таблица управляющих напряжений, обеспечивающих изменение фазы с определенным шагом. Индуктивности нужны для исключения прохождения микроволнового сигнала в управляющую цепь, блокировочные конденсаторы для развязки между элементами по постоянному току, они не вносят потерь в передаваемый микроволновый сигнал.

Если на всех управляющих входах будет единичный уровень, сигнал пойдет по кратчайшему пути и фазовый набег будет равен нулю. Соответственно, при нулевом уровне, фазовый набег будет максимальным. При различных сигналах, фазовый набег будет разным. Количество и размеры дугообразных элементов подбираются так, чтобы набег фазы был кратен набегу фаз в наименьшем по размерам элементе.

Формула, по которой рассчитывается набег фазы

Ограничитель

В данном устройстве используется нелинейность диода при больших значениях поданной мощности. Схема ограничителя представлена на рисунке 10. В самом диоде: отличие от переключательного – малая толщина i-области

Время жизни неравновесных носителей заряда много больше периода СВЧ-колебаний, следовательно, за полупериод малая часть инжектированных зарядов успевает срекомбинировать, за счет чего происходит уменьшение скорости изменения сопротивления

Рисунок 16

В качестве управляющего напряжения в ограничителях используется СВЧ сигнал, то есть оно использует нелинейность ВАХ диода для ограничения мощности, проходящей через диодную секцию в нагрузку. В ограничительных устройствах диод параллельно включается в СВЧ тракт, если мощность превышает определенных уровень, диод открывается и отражение от него резко возрастает. Переходная характеристика ограничителя представлена на рисунке 11.

Рисунок 17

Аттенюатор

Данное устройство представляет сбой в простейшем случае диод включенный в линию передач, на который подается управляющее напряжение. Это напряжение подбирается в зависимости от того, каким должно быть полное сопротивление диода. Так, изменяя напряжение на диоде, мы регулируем условия отражения волны от входа диодной секции, непрерывным образом изменяя мощность на ее выходе.

Схема электронного аттенюатора представлена на рисунке 12.

Рисунок 18

22. Диоды с отрицательным динамическим сопротивлением: лавинно-пролетные диоды, инжекционно-пролетные диоды. Статическое распределение концентрации носителей заряда и поля. Принцип действия. Зона пробоя, дрейф носителей заряда. Динамическое сопротивление ЛПД. Сравнение с диодами Ганна.

Лавинно-пролетный диод

ЛПД являются одними из наиболее мощных ПП приборов СВЧ. Они работают на явлениях лавинного пробоя обедненной области обратносмещенного диода и последующего дрейфа носителей в полупроводнике со скоростью, которая близка к скорости насыщения.

Используя ЛПД как двухполюсник с отрицательным сопротивлением, можно собрать различные микроволновые устройства: генераторы, усилители, преобразователи и т.д.

Рассмотрим принцип действия ЛПД на структуре, предложенной У. Ридом. Она представлена на рисунке 1.

Рисунок 1

Она содержит – переход, область собственной проводимости (i-область) контактные высоколегированные области.

Особенность такого распределения – локализация высокой напряженности поля в области обратносмещенного – перехода и полное обеднение n-области. Если увеличивать напряжение смещения напряженность электрического поля в некоторой области достигает критического, то есть пробивного, значения, которого достаточно для возникновения лавинного пробоя. Эта область называется зоной лавинного умножения. Область, в которой электроны вышли из зоны лавинного умножения и дрейфуют под действием электрического поля в n- и i- областях, пока не достигнут анода называется пространством дрейфа. Эта область на рисунке отмечена, как . Дырки движутся в обратном направлении, рекомбинируя на контакте.

Временные зависимости напряжения и токов в ЛПД представлены на рисунке 2.

Рисунок 2

Стоит рассмотреть более детально явления в зоне лавинного умножения. Предположим, что на диод наряду с напряжением смещения действует гармоническое переменное напряжение , при этом . Также постоянное смещение создает электрическое поле в зоне лавинного умножения, близкое к пробивному. Начиная с момента времени напряженность поля в зоне лавинного умножения становится больше пробивной и ток через переход начинает расти. Скорость роста тока определяется разностью и максимальна в момент времени , где - период переменного напряжения. После этого скорость роста тока уменьшается и становится равной нулю в момент времени . Суммарная напряженность поля становится меньше пробивной и конвекционный ток в зоне лавинного умножения начинает уменьшаться. Максимальная скорость уменьшения тока наблюдается в момент времени . В момент времени уменьшение тока прекращается. Таким образом, зона лавинного умножения обеспечивает запаздывание инжекции носителей заряда, которое необходимо для получения отрицательного динамического сопротивления.

Также стоит отметить, что кинетическая энергия электрона, который движется в пространстве дрейфа, состоит из энергии направленного движени я и энергии теплового хаотического движения.

Инжекционно-пролетный диод

Структура ИПД и распределение напряженности электрического поля в ней показана на рисунке 3.

Рисунок 19

При указанной полярности эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный в обратном. При малых напряжениях U в структуре будут два обедненных слоя: у левого электрода он будет достигаться за счет контактной разности потенциалов, у правого за счет и U. При увеличении напряжения на коллекторе возникает расширение обедненной области в p-слое у правого электрода. При напряжении ширина обедненного слоя равна при большем напряжении соответственно, ширина обедненного слоя тоже увеличится. При достижении напряжения произойдет полное обеднение p-слоя, обедненные области левого и правого электродов сомкнутся. Произойдет прокол p-слоя. Дальнейшее увеличение напряжения приведет к уменьшению барьера для зарядов у левого электрода, а также к инжекции носителей из эмиттера. Если на фоне напряжения смещения приложить небольшое переменное напряжение, то переменный эмитируемый ток будет отставать по фазе от напряжения.

Таким образом, если сравнить ИПД с ЛПД, то в ЛПД запаздывание инжекции будет меньше, хотя при определенных углах пролета можно достичь отрицательное динамическое сопротивление. Такие приборы имеют малую выходную мощность, но и более низкие шумы, что возникает в виду отсутствия процессов лавинного умножения.

Максимум отрицательной проводимости у таких диодов достигается при углах пролета около .

Запишем формулу полного сопротивления диода.

Z = + +

Где это сопротивление зоны лавинного умножения, сопротивление пространства дрейфа, паразитарное сопротивление контактов.

Представление зоны лавинного умножения в виде параллельного соединения емкости и индуктивности позволяет также рассчитать соотношение между инжектированным током (ток через ) и полным током (ток через и ):

где — угол пролета в пространстве дрейфа; — его емкость.

Из полученного выражения видно, что активное сопротивление диода может быть отрицательным, если .

Максимальное по модулю отрицательное сопротивление наблюдается при . Оно пропорционально постоянной составляющей тока диода и производной коэффициента ионизации по напряженности электрического поля . Активная составляющая сопротивления для всех углов пролета отрицательна. Это следствие фазового сдвига тока инжекции по отношению к полному току на угол .

Зависимость полного сопротивления диода Ридда (ИПД не нашел, даже в методе всего один абзац) от угла пролета в пространстве дрейфа представлена на рисунке 4

Рисунок 20

Сравнение с диодом Ганна.

Сам процесс использования в целом аналогичен использованию ЛПД. Два основных отличия – это уровень фазовых шумов: у ЛПД он выше, чем у диода Ганна, а также уровень выходной мощности: у ДГ он на порядок ниже, чем у ЛПД. Поэтому ДГ применяется, например, в гетеродинах.

23. Диоды с отрицательным динамическим сопротивлением: диоды с междолинным переносом носителей (диоды Ганна). Характерные статические распределения концентрации носителей, заряда и поля. Частотные характеристики.

Проводники AIIIBV, такие как GaAs, InP, GaN, имеют область отрицательной дифференциальной подвижности на поле-скоростной характеристике. Зона проводимости этих материалов состоит из нескольких долин, электроны в которых имеют разную эффективную массу (и, соответственно, различную подвижность).

Рис. 1. Энергетическая диаграмма зоны проводимости арсенида галлия.

На рисунке представлена зависимость энергии w от волнового числа k вдоль кристаллографической оси [111]. Различие в заселенности долин будет определяться энергией электронов kT_e и энергетическим зазором Δ:

где R — отношение плотности состояний в рассматриваемых долинах (для GaAs оно равно 50). Если к образцу приложено внешнее «греющее» поле E₀ , то электронная температура повышается. При этом уравнение сохранения потока энергии примет вид:

В этом уравнении скорость v соответствует средней скорости носителей в двух долинах:

Увеличение напряженности поля, обуславливающее рост электронной температуры T_e , приводит к увеличению доли электронов, переходящих в верхнюю долину. Это обуславливает уменьшение средней скорости носителей. Особенно резко это снижение будет наблюдаться при полях выше некоторого критического значения. При дальнейшем увеличении поля скорость будет стремиться к величине ₂E , т.к. количество носителей заряда в верхней долине будет преобладающим.

Рис. 2. Поле-скоростная характеристика.

На рисунке представлены графики расчетов для двух вариантов: без учета зависимости подвижности от электронной температуры (пунктирная линия) и с ее учетом (сплошная линия). Различие наблюдается в области сильных полей, при которых в реальных условиях наблюдается насыщение скорости. Критическое (пороговое) поле для GaAs составляет E_th  3,4 кВ/см. Процессы междолинного переноса носителей заряда, существенно влияют не только на вид полескоростной характеристики, но на характер поведения другого кинетического коэффициента — коэффициента диффузии D_e . Вблизи критического поля он имеет ярко выраженный максимум.

Рис. 3. Экспериментальная зависимость коэффициента диффузии от поля для GaAs

Междолинный переход носителей заряда обуславливает эффект Ганна – возникновение периодических импульсов тока в полупроводниковой структуре с отрицательной дифференциальной подвижностью.

Рис. 4. Структура диода Ганна и распределение поля при напряжении меньше критического

Для возникновения импульсов необходимы следующие условия:

- Приложенное напряжение должно быть больше критического значения

- Уровень легирования N_d и длина активной части прибора L должны превышать критическую величину

Период импульсов аппроксимируется выражением Таким образом можно получить нужную частоту генерации, задав длину прибора.

Рассмотрим процесс генерации импульсов. Предположим, что поле превысит критическое значение в области, содержащей неоднородность легирования (например, вблизи катода). Скорость носителей внутри этой области станет меньше, чем скорость носителей слева и справа от нее. В результате концентрация электронов слева от области возрастет, справа от области – снизится. В результате в области неоднородности возникает двойной зарядовый слой, называемый доменом сильного поля.

Рис. 5. Распределение полей, скорости носителей и заряда в области домена.

При этом напряженность поля внутри домена будет возрастать, а вне его – уменьшаться. Увеличение поля в домене прекратится, когда скорость домена сравняется со скоростью электронов вне домена.

По достижении анода домен исчезнет, и напряженность поля в полупроводнике возрастет. При превышении порогового значения на катоде начнется образование нового домена и процесс повторится.

Рассмотренный режим работы называется режимом бегущего домена. Также возможны анодный и катодный статические режимы, когда вследствие диффузионных потоков возникает динамическое равновесие и рост домена прекращается, при этом максимум поля наблюдается у анода или катода соответственно.

Рис. 6. Распределение поля при режиме бегущего домена (1), анодном статическом (2) и катодном статическом (3)

Рис. 7. ВАХ диода Ганна в разных режимах: с бегущим доменом (1), с учетом разогрева структуры (2), статический домен в импульсном режиме (3) и (4), область неустойчивости (5).

Диод Ганна может применяться в качестве усилителя или генератора СВЧ-сигналов, аналогично лавинно-пролетному диоду. Однако диод Ганна имеет меньший уровень шумов. Современные технологии позволяют достичь частоты генерации порядка сотен гигагерц.