Выполнила: студентка группы Потарина Жанн а 1

2

Диод Ганна-полупроводниковый диод, состоящий из однородного полупроводника, генерирующий СВЧ-колебания при приложении постоянного электрического поля. Физической основой, позволяющей реализовать такие свойства в диоде, является эффект Ганна, который заключается в генерации высокочастотных колебаний электрического тока в однородном полупроводнике с N-образной вольт-амперной характеристикой. Эффект Ганна обнаружен американским физиком Дж. Ганном в 1963 г. В кристалле арсенида галлия (GaAs) с электронной проводимостью. Ганн выявил, что при приложении электрического поля Е к однородным образцам из арсенида галлия n-типа в образце возникают спонтанные колебания тока. Позднее он установил, что при Е>Е пор в образце, обычно у катода, возникает небольшой участок сильного поля –домен, дрейфующий от катода к аноду со скоростью~ 10 7 см/с и исчезающий на аноде. Затем у катода формируется новый домен, и процесс периодически повторяется. Моменту возникновения домена соответствует падение тока, текущего через образец. Моменту исчезновения домена у анода- восстановление прежней величины тока. Период колебаний тока приблизительно равен пролетному времени, т. е. времени, за которое домен дрейфует от катода к аноду. Особенность диодов Ганна в том, что они основаны на явлениях, возникающих в объеме однородного полупроводника. 3

Устройство Диода Ганна. 1 – катодный вывод; 2 – катодные токоподводящие проволочки, припаянные к омическому контакту кристалла 3 – кристалл однородного полупроводника GaAs,предст авляющий по форме таблетку 4 – керамический патрон; 5 – анодный стержень, к которому припаяна таблетка кристалла, выполняет роль теплоотвода. ДГ не содержит p-n-переходов. 4

Эффект Ганна наблюдается главным образом в двухдолинных полупроводниках, зона проводимости которых состоит из одной нижней долины и нескольких верхних долин.Для того, чтобы при переходе электронов между долинами, возникало отрицательное дифференциальное сопротивление, должны выполняться следующие требования: 1)средняя тепловая энергия электронов должна быть значительно меньше энергетического зазора между побочной и нижней долинами зоны проводимости, чтобы при отсутствии приложенного внешнего электрического поля большая часть электронов находилась в нижней долине зоны проводимости; 2)эффективные массы и подвижности электронов в нижней и верхних долинах должны быть различны. Электроны нижней долины должны иметь высокую подвижность μ 1, малую эффективную массу m 1 * и низкую плотность состояний. В верхних побочных долинах электроны должны иметь низкую подвижность μ 2, большую эффективную массу m 2 * и высокую плотность состояний ; 3) энергетический зазор между долинами должен быть меньше, чем ширина запрещенной зоны полупроводника, чтобы лавинный пробой не наступал до перехода электронов в верхние долины. 5

Из изученных и применяемых полупроводниковых материалов перечисленным требованиям наиболее соответствует арсенид галлия n-типа. Рассмотрим междолинный переход электронов в арсениде галлия. Если напряжённость поля в образце мала, то все электроны находятся в нижней долине зоны проводимости (в центре зоны Бриллюэна). Поскольку средняя тепловая энергия электронов значительно меньше энергетического зазора между дном верхней и нижней долин, они не переходят в верхнюю долину. 6 Схематическая диаграмма, показывающая энергию электрона в зависимости от волнового числа в области минимумов зоны проводимости арсенида галлия n-типа.

Электроны нижней долины имеют малую эффективную массу m 1 * и высокую подвижность μ 1. Плотность тока, протекающего через образец, определяется концентрацией электронов в нижней долине n 1 (n 1 = n 0, где n 0 - равновесная концентрация электронов в полупроводнике): С ростом электрического поля возрастает скорость дрейфа электронов. На длине свободного пробега l электроны приобретают энергию eEl, отдавая при столкновениях с фононами кристаллической решётки меньшую энергию. Когда напряжённость поля достигает порогового значения E П, появляются электроны, способные переходить в верхнюю долину зоны проводимости. Дальнейшее увеличение поля приводит к росту концентрации электронов в верхней долине. Переход из нижней долины в верхнюю сопровождается значительным ростом эффективной массы и уменьшением подвижности, что ведёт к уменьшению скорости дрейфа. При этом на вольт-амперной характеристике образца появляется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением (ОДС). 7 N-образная вольт-амперная характеристика: E - электрическое поле, создаваемое приложенной разностью потенциалов; J - плотность тока.

Для возникновения отрицательного дифференциального сопротивления необходим одновременный переход большинства электронов из центральной долины в боковую при пороговой напряженности электрического поля. Но получить статическую ВАХ, соответствующую сплошной кривой, не удается, так как в кристалле или около невыпрямляющих контактов всегда есть неоднородности, в результате чего возникают локальные напряженности электрического поля, превышающие среднюю напряженность. Превращение в этих местах "легких" электронов в "тяжелые" еще больше увеличивает неоднородность электрического поля. Поэтому практически не получается одновременного перехода большинства электронов в кристалле из центральной долины в боковую и статическая ВАХ остается без участка с ОДС. 8 Распределение электронов при различных значениях напряженности поля

ВАХ диода Ганна. В области дипольного объемного заряда напряженность электрического поля возрастет и станет больше порогового значения, а в остальной части образца E слегка уменьшится и станет меньше E П, т.к. напряжение, подаваемое на образец, поддерживается постоянным. В результате этого дрейфовая скорость электронов и плотность тока в области существования объемного заряда уменьшатся, а в остальной части образца изменятся незначительно. Это приведет к дальнейшему увеличению концентрации электронов в левой части объемного заряда (за счет их подтока от катода) и концентрации нескомпенсированных доноров в правой части за счет ухода быстрых электронов от правой границы к аноду. Этот процесс прекратится, и дипольный слой достигнет стабильной конфигурации, когда плотность тока внутри и вне его станет одинаковой и будет соответствовать точкам вольт- амперной характеристики, лежащим вне участка отрицательной дифференциальной проводимости (например, точки E В и E Д ). 9 Спад силы тока в цепи при формировании домена сильного поля обусловлен резким уменьшением подвижности электронов в нем и, следовательно, увеличением сопротивления образца. Наиболее стабильное состояние домена соответствует минимальной мощности, потребляемой образцом от источника питания, т.е. когда плотность тока в образце имеет наименьшее возможное значение – J min. Тогда максимальная напряженность поля внутри домена сильного поля будет равняться E Д, а вне его – E В.

Генерация СВЧ-колебаний в диодах Ганна. Как любой генератор СВЧ-диапазона, генератор Ганна характеризуется генерируемой мощностью, длиной волны или частотой генерируемых колебаний, коэффициентом полезного действия, уровнем шумов и другими параметрами. Выходная непрерывная мощность генераторов Ганна в пролётном режиме обычно составляет десятки – сотни милливатт, а при импульсной работе достигает сотен ватт. Рабочая частота в пролётном режиме обратно пропорциональна длине или толщине высокоомной части кристалла (f = v/l). Связь между генерируемой мощностью и частотой можно представить в виде: Мощность генерируемых СВЧ-колебаний зависит от полного сопротивления z или от площади рабочей части высокоомного слоя полупроводника. Приведённое соотношение указывает на то, что ожидаемое изменение мощности с частотой пропорционально 1/f Верхний предел рабочей частоты диодов Ганна составляет примерно 150 ГГц. Генераторы Ганна из арсенида галлия могут генерировать СВЧ- колебания от 1 до 50 ГГц. Несколько большие частоты получены на генераторах Ганна из фосфида индия в связи с большими значениями максимальных скоростей электронов, но качество приборов из этого материала значительно ниже из-за недостаточной отработки технологии изготовления материала. Преимущество фосфида индия перед арсенидом галлия - большее значение пороговой напряжённости электрического поля (10,5 и 3,2 кВ/см соответственно). Это должно позволить создать генератор Ганна с большей выходной мощностью. Для создания больших частот генерируемых колебаний представляют интерес тройные соединения GaInSb, т.к. в них велики дрейфовые скорости электронов.

Примеры характеристик диодов Ганна. 11

12 Эффект Ганна наблюдается помимо GaAs и InP также в электронных полупроводниках CdTe, ZnS, InSb, InAs и др., а также в Ge с дырочной проводимостью. Коэффициент полезного действия генераторов Ганна может быть различным (от 1 до 30%), так как существенно отличаются технологии изготовления приборов и качество исходного полупроводникового материала. В связи с возможным наличием в кристалле генератора Ганна нескольких неоднородностей зарождение домена может происходить в различные моменты времени на разном расстоянии от анода. Поэтому частота колебаний будет изменяться, т.е. могут возникать частотные шумы. Кроме частотных шумов в генераторах Ганна существуют амплитудные шумы, основной причиной которых являются флуктуации в скоростях движения электронов. Обычно амплитудные шумы в генераторах Ганна малы, так как дрейфовая скорость в сильных электрических полях, существующих в этих приборах, насыщена и слабо изменяется при изменении электрического поля. Важным для практического применения генераторов Ганна является вопрос о возможности их частотной перестройки в достаточно широком диапазоне. Из принципа действия генератора Ганна ясно, что частота его должна слабо зависеть от приложенного напряжения. С увеличением приложенного напряжения несколько возрастает толщина домена, а скорость его движения изменяется незначительно. В результате при изменении напряжения от порогового до пробивного частота колебаний увеличивается всего на десятые доли процента. Срок службы генераторов Ганна относительно мал, что связано с одновременным воздействием на кристалл полупроводника таких факторов, как сильное электрическое поле и перегрев кристалла из-за выделяющейся в нём мощности.

Применение. Область применения диодов Ганна: импульсные усилители, устройства памяти, логические элементы, схемы преобразования аналоговых напряжений в импульсные. Приборы, принцип работы которых основан на эффекте Ганна, имеют широкую перспективу внедрения в телеметрических системах, в радиолокационных устройствах. 13