Діод Ганна, генератори Ганна

4. Діод Ганна, генератори Ганна

Напівпровідниковий прилад, з негативним опором на НВЧ, заснований так ефекті Ганна, який здатен генерувати НВЧ-коливання - діод Ганна.

Ефект Ганна був відкритий у 1963 р американським фізиком Дж. Ганном (J. Gunn) у кристалі арсениду галію з електронною провідністю з прикладеним полем Е ~ (2..3) кВ/см.

Ефект Ганна полягає у тому, що при досить великій напрузі, прикладеній до напівпровідника, у цьому напівпровіднику виникають НВЧ-коливання. Цей ефект був ретельно досліджений, з'ясовані фізичні процеси, що відбуваються у напівпровідниках при високій напруженості діючого у них електричного поля, і розроблені, отримавши вже достатньо широке розповсюдження, прилади для генерування коливань на НВЧ.

У тому ж році Б. К. Рідлі висловив ідею про те, що доменна нестійкість повинна з'являтися у напівпровідниковому зразку, якщо на його вольт-амперній характеристиці є ділянка з негативною диференційою провідністю N-типу. Такий вид вольт-амперна характеристика буде мати, якщо при збільшенні напруженості поля швидкість носіїв або їхня концентрація зменшуються. Б. К. Рідлі, Т. Б. Уоткінс і С. Хілсум показали, що в арсениді галію і фосфіді індію n-типу швидкість електронів повинна зменшуватися з ростом напруженості електричного поля, коли вона перевищить деяке граничне значення, достатнє для того, щоб обумовити міждолінний перехід електронів з нижньої долини, де їхня рухливість велика, у більше високолежачі долини зони провідності, у яких рухливість електронів різко знижується. У 1964 р. Н. Кремер указав, що всі основні закономірності ефекту Ганна можуть бути пояснені на основі механізму Рідлі – Уоткінса – Кволийсума.

Діод Ганна являє собою напівпровідниковий кристал без п- р-переходу (рис. 4.1), у якому створене сильне постійне електричне поле. Для включення діод має два електроди: анод і катод. Повинен застосовуватися напівпровідник із двома зонами провідності, наприклад арсенід галію. Дослідження подібних напівпровідників показало, що у цих двох зонах провідності електрони мають різну рухливість. У зоні, розташованої вище, тобто відповідної більше високим рівням енергії, рухливість електронів менше.

Рис. 4.1 Діоди Ганна

Рис. 4.2

Вольт-амперна характеристика діоду Ганна (N - подібна)

При відсутності зовнішнього поля або при порівняно слабкому полі електрони перебувають у нижній зоні провідності, де вони мають більше високу рухливість, і тому напівпровідник має порівняно високу провідність. Якщо збільшувати напругу, прикладена до напівпровідника, то спочатку струм зростає відповідно до закону Ома, але при деякій напрузі, коли напруженість поля стає досить високою, більша частина електронів переходить у верхню зону провідності і внаслідок зменшення їхньої рухливості у цій зоні опір напівпровідника різко збільшується. Струм зменшується, і на вольт-амперній характеристиці виникає падаюча ділянка, що відповідає негативному диференційному опору (рис. 4.2). Подальше збільшення прикладеної напруги знову викликає приблизно пропорційне зростання струму.

Внаслідок неминучих неоднорідностей у матеріалі напівпровідника опір під дією сильного поля підвищується у цей момент часу не у всьому напівпровіднику, а лише в якомусь одному місці. Область такого підвищеного опору й більше сильного поля називають доменом (рис. 4.3). Домен звичайно утворюється біля катода (мінус) і не залишається на одному місці, а рухається з великою швидкістю до анода (плюс). У самому домені швидкість електронів менше, ніж на інших ділянках і густина об'ємного заряду збільшено, тобто домен являє собою своєрідний згусток. У ньому зосереджене більше сильне поле, а в іншій частині напівпровідника поле більше слабке й швидкість електронів вище. Тому праворуч від домена електрони швидше йдуть до анода й виникає область, збіднена електронами. А ліворуч від домена, навпаки, до нього швидше приходять нові електрони. Цей процес обумовлює

Рис. 4.3

Домен у діоді Ганна

переміщення домена від катода до аноду.

Дійшовши до анода, домен зникає, але новий домен знову виникає біля катода, рухається до анода й т.д. Зникнення доменів і виникнення нових супроводжується періодичною зміною опору діода Ганна, внаслідок чого з'являються коливання струму діода, частота яких при малій довжині шляху домена (відстань анод - катод) виявляється у діапазоні НВЧ.

Частота цих коливань:  f = v_дом / L,

де v_дом – швидкість домену, яка складає для арсеніду галію приблизно 10⁷ см/с, L – довжина напівпровідника (звичайно одиниці мікрометрів для діодів Ганна). Звідси видно, що, наприклад, при L = 10 мкм частота коливань f = 10⁷/10^-3 = 10¹⁰ Гц = 10 ГГц.

Важлива особливість діодів Ганна у тім, що на відміну від інших «працює» весь напівпровідник, а не тільки мала частина його – n-р перехід. Тому в діодах Ганна можна допустити більші потужності. У цей час ці діоди вже генерують у безперервному режимі коливання потужністю, що досягає десятків ват, а в імпульсному режимі - одиниць кіловат, при ККД від одиниць до десятків відсотків. За теоретичними розрахунками передбачається, що можна створити діоди Ганна на потужності до сотень кіловатів в імпульсному режимі при частотах у десятки гігагерць.

Як і будь-який генератор НВЧ-діапазону, генератор Ганна характеризується генеруючою потужністю, довжиною хвилі або частотою генеруючих коливань, коефіцієнтом корисної дії, рівнем шумів та іншими параметрами.

Рабоча частота у пролітному режимі обернено пропорційна довжині або товщині високоомній частині кристалу (f=v/l). Зв’язок між генерируючою потужністю та частотою можно записати у вигляді:

Потужність генерируючих НВЧ-коливань залежить від повного опору Z або від площі робочої частини високоомного шару напівпровідника. Наведене співвідношення вказує на те, що зміна потужності із частотою пропорційна 1/f². Верхня межа робочої частоти діодів Ганна становить приблизно 150 ГГц. Генератори Ганна з арсеніду галію можуть генерувати НВЧ-коливання від 1 до 50 ГГц. Трохи більші частоти отримані на генераторах Ганна з фосфіду індію у зв'язку із більшими значеннями максимальних швидкостей електронів, але якість приладів із цього матеріалу значно нижча через недостатнє відпрацьовування технології виготовлення матеріалу.

Вихідна потуж-ность, мВт

Напруга, В

Частота, ГГц

Напруга, В

Напруга, В

N – Рівень легування

Густина потоку потуж-ності, Вт/см2

Основна гармоніка

Вторинна гармоніка

Частота, ГГц

в)

Рис. 4.4

Приклади характеристик діодів Ганна

а) типічна залежність, генеруючої діодом Ганна потужності, від прикладеної напруги;

б) типічна залежність, генеруючої діодом Ганна потужності, від прикладеної напруги та температури;

в) частота та щільність , генеруючої діодом Ганна потужності, від ступеню легування для випадку GaN.

Перевага фосфіду індію перед арсенідом галію є більше значення граничної напруженості електричного поля (10,5 і 3,2 кВ/см відповідно). Це повинне дозволити створити генератор Ганна з більшою вихідною потужністю. Для створення більших частот генерируючих коливань становлять інтерес потрійні сполуки GaInSb, тому що в них великі дрейфові швидкості електронів.

У зв'язку з можливою наявністю у кристалі генератора Ганна декількох неоднорідностей зародження домену може відбуватися у різні моменти часу на різній відстані від анода. Тому частота коливань буде змінюватися, тобто можуть виникати частотні шуми. Крім частотних шумів у генераторах Ганна існують амплітудні шуми, основною причиною яких є флуктуації у швидкостях руху електронів. Звичайно амплітудні шуми в генераторах Ганна малі, тому що дрейфова швидкість у сильних електричних полях, що існують у цих приладах, насичена й слабко змінюється при зміні електричного поля.

Важливим для практичного застосування генераторів Ганна є питання про можливості їхньої частотної перебудови у досить широкому діапазоні. Із принципу дії генератора Ганна ясно, що частота його повинна слабко залежати від прикладеної напруги. Зі збільшенням прикладеної напруги трохи зростає товщина домену, а швидкість його руху змінюється незначно. У результаті при зміні напруги від граничного до пробивного частота коливань збільшується всього на десяті частки відсотка.

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

В 1966 р. був створений промисловий зразок генератора НВЧ-коливань з робочою частотою порядку 2 – 3 ГГц і вихідною потужністю 100 Вт в імпульсному режимі. На виставці вимірювальних приладів електронної техніки й автоматики, що відбулася в США в 1968 р., були продемонстровані радіолокаційні станції з генератором Ганна, призначені для визначення швидкості тіл, що рухаються. Ці станції були настільки малі, що їх можна було тримати у руках.

5. Висновок

У даній роботі були розглянуті, як теоретична і так практична сторони ефекту Ганна. З’ясовані причини виникнення участку негативного опору на вольт-амперній характеристиці у діодах Ганна. Детально розглянуто процес виникнення, рух і зникнення електричного домену, його характеристики. Розглянуто рух електронів, з одного мінімуму до іншого, при різних значеннях прикладенного поля, - при менших та більших за критичне. З’ясовані основні характеристики і особливості діодів Ганна.

6. Список використаної літератури

1.   Епифанов Г. И., Мома Ю. О., Твердотельная электроника. – М.: Высшая школа, 1986. – 304 с.

2.   Шалимова К. В., Физика твердого тела. – М.: Энергия, 1976. – 416 с.

3.   Жеребцов И. П., Основы электроники. – Л.: Энергоатомиздат, 1990. – 352 с.

4.   Гуртов В. А., Артамонов А. Н., Ветров А. С. – Твердотельная электроника. – П.: Издательстельство ПетрГУ, 2000.– 254 с.