Лекции / Старосельский.2005 / ЭКТ4 / 11 / 8

178

8. Диоды Ганна

8.1. Устройство и принцип действия

В 1963 г. Ганном открыт эффект генерации СВЧ колебаний в однородных образцах GaAs в сильном (> 3 кВ/см) постоянном электрическом поле.

Частота колебаний соответствует времени пролета электронов через образец со скоростью 10⁷ см/с:

(при мкм 

1 ГГц). Причина эффекта — особенности зонной структуры GaAs.

кВ/см; см/с;

см/с.

В нижней долине — легкие электороны, в верхней — тяжелые. Разогрев полем переносит электроны в верхнюю долину, и средняя скорость снижается.

Электроны с достаточной энергией переходят в в верхнюю долину практически все: а) побочных минимума 4; б) плотность состояний ~ эффективной массе в степени 3/2; в верхней долине она выше.

Существует 2 основных режима колебаний:

а) пролетная (ганновская) мода; б) режим ограниченного накопления пространственного заряда (ОНОЗ).

8.2. Пролетная мода

Пролетная мода реализуется в случае, когда образец не находится в резонаторе. Отрицательная дифференциальная подвижность приводит к нарушению однородности электрического поля и образованию домена сильного поля (ДСП).

ДСП зарождается на естественной неоднородности образца на границе с катодом и движется к аноду. После его рассасывания на аноде возникает новый ДСП и процесс повторяется периодически.

Механизм зарождения ДСП:

На участке повышенного поля скорость электронов меньше.

Поэтому «убегают к аноду» справа от флуктуации поля и «поджимают» флуктуацию слева.

В результате формируется ДСП с обедненной передней стенкой и обогащенной задней.

В стационарном ДСП на передней стенке:

;

;

;

.

Вне ДСП: . Отсюда скорость домена:

.

Форма тока:

;

;

.

Максимальная частота генерации определяется необходимым условием доменной неустойчивости:

см^-2; .

Повышение приводит к снижению подвижности в слабом поле и уменьшению отношения (т.е. К.П.Д.). Практически 10¹⁶ см^-3.

При этом = 100 ГГц.

8.3. Режим ограниченного накопления пространственного заряда

Если диод Ганна помещен в резонатор с резонансной частотой , ДПС гасится резонатором, и диод генерирует на резонансной частоте.

Частотные ограничения:

.

Успевает разрушиться Не успевает

обогащенный слой сформироваться ДСП

Здесь 7000 см²/Вс — подвижность в слабом поле;

2000 см²/Вс — отрицательная дифференциальная подвижность.

В режиме ОНОЗ достигается максимальная частота генерации.

8.4. Применения диодов Ганна

Диоды Ганна конкурируют с ЛПД как генераторы СВЧ.

Частоты — до 150 ГГц; мощность — до 10 кВт в импульсном режиме.

К.П.Д. ~ 10 %/