XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

Конструкция и принцип действия

Диод Ганна традиционно представляет собой слой арсенида галлия с омическими контактами с обеих сторон. Активная часть диода Ганна обычно имеет длину от l до 100 мкм с концентраций легирующих донорных примесей 10¹⁴−10¹⁶ см⁻³. В этом материале, в зоне проводимости, имеются два минимума энергии, которым соответствуют два состояния электронов — «тяжёлые» и «лёгкие». В связи с этим с ростом напряжённости электрического поля средняя дрейфовая скорость электронов увеличивается до достижения полем некоторого критического значения, а затем уменьшается, стремясь к скорости насыщения (рис. 1)

Рис. 1 Структура диода Ганна

Таким образом, если к диоду приложено напряжение, превышающее произведение критической напряжённости поля на толщину слоя арсенида галлия в диоде, равномерное распределение напряжённости по толщине слоя становится неустойчиво. Тогда при возникновении даже в тонкой области небольшого увеличения напряжённости поля электроны, расположенные ближе к аноду, «отступят» от этой области к нему, а электроны, расположенные у катода, будут пытаться «догнать» получившийся движущийся к аноду двойной слой зарядов. При движении напряжённость поля в этом слое будет непрерывно возрастать, а вне его — снижаться, пока не достигнет равновесного значения. Такой движущийся двойной слой зарядов с высокой напряжённостью электрического поля внутри получил название домена сильного поля, а напряжение, при котором он возникает — порогового.

В момент зарождения домена ток в диоде максимален. По мере формирования домена ток уменьшается и достигает своего минимума по окончании формирования. Достигая анода, домен разрушается, и ток снова возрастает. Но едва он достигнет максимума, у катода формируется новый домен. Частота, с которой этот процесс повторяется, обратно пропорциональна толщине слоя полупроводника и называется пролетной частотой.

На ВАХ полупроводникового прибора наличие падающего участка является недостаточным условием для возникновения в нём СВЧ колебаний, но необходимым. Возникновение колебаний означает, что в кристалле полупроводника развивается неустойчивость. Характер этой неустойчивости зависит от параметров полупроводника (профиля легирования кристалла, его размеров, концентрации носителей и т. д.).

При помещении диода Ганна в резонатор возможны другие режимы генерации, при которых частота колебаний может быть сделана как ниже, так и выше пролетной частоты. Эффективность такого генератора относительно высока, но максимальная мощность не превышает 200—300 мВт.

Существенно влияние омических (невыпрямляющих) контактов к кристаллу. Для выполнения низкоомных омических контактов, необходимых для подвода тока для работы диодов Ганна существуют два подхода:

первый из них заключается в выборе приемлемой технологии нанесения таких контактов непосредственно на высокоомный кристалл арсенида галлия;

при втором подходе кристалл прибора выполняется многослойным. В диодах с такой структурой на слой высокоомного низколегированного арсенида галлия наращивают с обеих сторон эпитаксиальные слои низкоомного высоколегированного арсенида галлия с проводимостью n-типа. Эти высоколегированные слои служат переходными подложками от рабочей части кристалла к металлическим электродам.

Применение

Диод Ганна может быть использован для создания генератора в 10 ГГц и выше (вплоть до ТГц) диапазона частот. Резонатор, который может быть выполнен в виде волновода, применяют для управления частотой.

Частота генераторов на диоде Ганна определяется в основном резонансной частотой колебательной системы с учетом ёмкостной проводимости диода и может перестраиваться в относительно широких пределах механическими (с помощью изменения геометрических размеров резонатора) и электрическими методами.

Однако, срок службы генераторов Ганна относительно мал, что связано с одновременным воздействием на кристалл полупроводника таких факторов, как сильное электрическое поле и перегрев полупроводникового кристалла прибора выделяющейся в нём мощностью.

Диоды Ганна, работающие в различных режимах, используются в диапазоне частот 1—100 ГГц. В непрерывном режиме генерации генераторы на диодах Ганна имеют КПД около 2—4 % и обеспечивают выходную мощность от единиц мВт до единиц Вт. Но, при использовании прибора в импульсном режиме КПД увеличивается в 2—3 раза. Специальные широкополосные резонансные системы позволяют добавить в мощность полезного выходного сигнала высшие гармоники и служат для увеличения КПД. Такой режим работы генератора называется релаксационным.

Существуют несколько разных режимов использования генераторов на диоде Ганна в зависимости от питающего напряжения, температуры, характера нагрузки: доменный режим, гибридный режим, режим ограниченного накопления объемного заряда и режим отрицательной проводимости.

Наиболее часто используемым режимом является доменный режим, при котором в течение большей части периода колебаний характерен режим существования домена. Доменный режим может быть реализован в трёх различных видах: пролётный, с задержкой образования доменов и с гашением доменов. Переход между этими видами происходит при изменении сопротивления нагрузки.

Для диодов Ганна был так же предложен и осуществлен режим ограничения и накопления объёмного заряда. Этот режим имеет место при больших амплитудах напряжения на диоде и на частотах, в несколько раз больших пролетной частоты, и при средних постоянных напряжениях на диоде, которые в несколько раз превышают пороговое значение. Однако, существуют определённые требования для реализации этого режима: полупроводниковый материал диода должен быть с очень однородным профилем легирования. При этом однородное распределение электрического поля и концентрации электронов по длине образца обеспечивается за счет большой скорости изменения напряжения на диоде.

Помимо арсенида галлия (GaAs) и фосфида индия (InP, используется на частотах до 170 ГГц) при изготовлении диодов используется эпитаксиальное наращивание, для изготовления диодов Ганна также применяется нитрид галлия (GaN). В диодах, изготовленных из этого материала была достигнута наиболее высокая частота колебаний — 3 ТГц.

Диод Ганна имеет низкий уровень амплитудного шума и низкое рабочее напряжение питания (от единиц до десятков В).

При использовании диоды монтируются в резонансных камерах, выполненных на поверхности микросхем с диэлектрическими подложками в комбинации с ёмкостными и индуктивными компонентами, либо используются в виде комбинации внешних резонаторов и микросхем.

Эффект Ганна

Эффект Ганна был открыт Джоном Ганном в 1960-х годах. После его экспериментов на основе GaAs (Арсенид галлия), он обратил внимание на помехи, возникшие в результате этих опытов. Далее он использовал это для генерации электрических колебаний в диапазоне сверхвысоких частот в устойчивом электрическом поле, величиной больше чем пороговое значение.

Этот эффект Ганна можно определить как генерация СВЧ (частоты порядка нескольких ГГц) возникающая всякий раз, когда напряжение, прикладываемое к полупроводниковому прибору превышает его критическое пороговое значение.

СВЧ генератор на диоде Ганна

Диод Ганна используются для построения генераторов микроволн с частотами в диапазоне от 10 ГГц до ТГц

Это устройство, имеющее отрицательное дифференциальное сопротивление (NDR -Negative Differential Resistance) – также называемого как прибор переноса электронов — является колебательным контуром, состоящий из диода Ганна и подаваемого на него постоянного напряжения смещения (в области отрицательного сопротивления).

Рис. 2 СВЧ генератор

Благодаря этому, суммарное дифференциальное сопротивление цепи становится равным нулю, так как отрицательное сопротивление диода сокращается при положительном сопротивлении цепи, что приводит к возникновению колебаний.

Таким образом, можно утверждать, что диод Ганна является типом полупроводниковым диодом в полупроводниковой структуре не имеющее

p-n переходом и используется для генерации и преобразования колебаний в диапазоне СВЧ.

В изучении данной темы видно, что тип полупроводниковых диодов, диода Ганна является действенным, актуальным и работающем в своей структуре

Библиографический список

Аваев Н. А., Шишкин Г. Г. Электронные приборы. Издательство МАИ, 1996.

Зи С. М. Физика полупроводниковых приборов (в 2 книгах). М., Мир, 1984, т.2, с.226-269.

Лебедев А. И. Физика полупроводниковых приборов. М., Физматлит, 2008.

Кулешов В.Н., Удалов Н.Н., Богачев В.М. и др. Генерирование колебаний и формирование радиосигналов. — М.: МЭИ, 2008. — 416 с.

http://www.joyta.ru/7501-diod-ganna-princip-raboty-primenenie/

Код для цитирования: Скопировать