2.9. Диоды Ганна

2.9. Диоды Ганна

В отличие от вышерассмотренных диодов, диод Ганна – это полупроводниковый прибор без p-n-перехода, обладающий отрицательным сопротивлением. В 1963г. Ганном было замечено, что при приложении к кристаллу арсенида галлия постоянного электрического напряжения, когда напряжённость поля порядка 1000 В/см, происходило периодическое изменение величины тока, протекающего через кристалл. изменение амплитуды тока доходило до долей ампера. явление это наблюдалось и в других полупроводниках, имеющих в зоне проводимости два энергетических минимума (двхдолинные полупроводники). к ним относятся GaAs, InSb, ZnSe, CdTe.

Основным материалом для создания диодов Ганна является в настоящее время арсенид галлия n-типа, энергетическая диаграмма которого представлена на рис.2.24. В зоне проводимости имеется два минимума, эффективные массы электронов, в которых существенно различаются. Электроны, занимающие уровни, расположенные в центральном минимуме, называют легкими (m*₁=0,072m₀, m₀— масса свободного электрона), а в боковом минимуме — тяжелыми (m*₂=1,2m₀). так как подвижность обратно пропорциональна m*, то легкие электроны имеют высокую подвижность:µ₁=(5—8)10³ см²/В.с, а тяжелые — низкую: µ₂=100см²/В.с.

Рис. 2.24. структура энергетических зон арсенида галлия n-типа

При малых напряженностях электрического поля в полупроводнике все электроны находятся в нижнем центральном минимуме и плотность тока через полупроводник j₁=qnµ₁E. С ростом напряженности электрического поля, как только у части электронов появится энергия больше dЕ_С, они смогут перейти в боковой минимум с малой подвижностью. Напряженность поля Е_пор, при которой начинается такой переход, называется пороговой. При достижении напряженности электрического поля Е₀ все электроны перейдут в боковой минимум и плотность тока J₂=qnµ₂E₀. Если при напряженностях этих полей выполняется неравенство µ₁E_nop> µ₂E_0, то соответственно J₁>J₂ и с ростом Е от E_пор До Е₀ произойДет уменьшение тока через полупроводник. это означает, что на вольт-амперной характеристике появляется участок с отрицательной дифференциальной проводимостью, т. е. характеристика относится к N-типу.

Плотность тока через полупроводник можно в общем виде записать как

j=q(µ₁n₁ + µ₂n₂)E,

где n₂ — концентрация тяжелых электроноВ, n₁ — концентрация легких электронов, а n₀=n₁+n₂— их сумма, т. е. концентрация свободных электронов в полупроводнике. Условием возникновения отрицательной проводимости является dj/dE<0.

Неустойчивость тока. Наличие участка отрицательного сопротивления на вольт-амперной характеристике полупроводника при определенных условиях приводит к неустойчивости протекания тока через полупроводник. Так как средняя дрейфовая скорость движения электронов

в полупроводнике v = µE, то зависимость v =v(E) имеет вид, аналогичный зависимости j(E) (рис. 2.25). Пусть к диоду ганна приложено внешнее напряжение v_п_op = E_порL (рис. 2.26).

Предположим, что на расстоянии х от катода возникла флуктуация концентрации носителей шириной dх, в которой концентрация меньше средней по образцу(заметим, что из-за неравномерного распределения примесей и наличия других структурных дефектов, концентрация свободных носителей в отдельных участках кристалла может быть больше или меньше средней по образцу). удельное сопротивление этой части полупроводника выше среднего, поэтому напряженность электрического поля в слое dх больше среднего значения E_пор. В соответствии с зависимостью

v(E) (рис. 2.25) скорость электронов в этом слое уменьшается и его сопротивление дополнительно увеличивается. происходит перераспределение напряжения между частями полупроводника: падение напряжения на слое dх, а следовательно, и напряженность электрического поля в нем, Е_х, увеличивается, а в остальной части образца, вне домена, Е_в, уменьшается.

Рис.2.25.Зависимость плотности тока от напряженности электрического поля

Рис. 2.26. Схема диода Ганна

Скорость электронов в слое dх уменьшается еще больше, однако скорость электронов в остальной части полупроводника также может уменьшаться вследствие уменьшения Е_в. обозначив dv_x уменьшение скорости электронов в слое dх, а dv_в в остальной части диода, можно записать

dv_X / dv_В = (е_х-e_пор)µ₂/ (E_пор -Е_В) µ₁.

очеВиДно, V_пор=E_порL=E_XdX+E_b (L-dX),

откуда нетрудно получить

(Е_х-Е_пор) / (Е_П_ор-E_В) = (L-dX) / dX.

Тогда dv_X/dv_В =[(L—dх)/ dх](µ₂/µ₁).

Для достаточно малого dх; dv_x/dv_в >1, а это означает, что электроны внутри области dх замедляются сильнее, чем вне нее. следовательно, скорость электронов в слое dх меньше, чем вне него. по этой причине со стороны катода к слою dх будут притекать электроны, а со стороны анода оттекать, создавая на границах слоя dх пространственные заряды противоположного знака (рис.2.26), вследствие чего электрическое поле в слое dх еще больше увеличится. Слой с повышенной напряженностью электрического поля dх обычно называют доменом (от английского domain — область). Напряженность электрического поля в домене увеличивается до тех пор, пока не достигнет значения, при котором дифференциальная подвижность электронов станет положительной. После этого скорости электронов в домене и вне него сравняются, накопление зарядов прекратится, и сформировавшийся домен будет дрейфовать к аноду с постоянной скоростью.

рис.2.27. распреДеление концентрации электроноВ и напряженности электрическоГо поля В Домене

Распределение концентрации электронов и электрического поля в домене показано на рис.2.27.

Домен состоит из слоя, обогащенного электронами (отрицательный заряд), и слоя, обедненного электронами (положительный заряд). Если пренебречь диффузией, то плотность электронов в обогащенном слое может быть сколь угодно большой. Положительный же заряд образуется ионизированными донорами при уходе электронов из этой части полупроводника, поэтому его плотность не может быть больше n₀. Следовательно, ширина обогащенной области меньше ширины обедненной области и за размеры домена можно принять размеры области положительного заряда ширина области объемного заряда d может быть определена из уравнения Пуассона, которое при линейной зависимости Е(х) (рис.2.27,б)

запишем в виде dе/dх=-r/ .

поскольку dЕ=-(Е_x-Е_В), dx=d,

r =qn₀, то d = ( /qn₀) (Е_х—Е_в).

рис.2.29. колебания тока, протекающеГо через ДиоД Ганна

рис. 2.28. изменение формы Домена с ростом ВнешнеГо напряжения

При увеличении внешнего напряжения V выше V_пор избыток напряжения падает на домене, и он растет в высоту Е_х и в ширину d. При определенном напряжении V_н_a_с плотность положительного заряда в обедненной области домена достигает значения n₀, происходит насыщение электрического поля в домене Е_х и при дальнейшем увеличении напряжения на диоде ширина домена растет (рис.2.28). Во всех случаях при изменении внешнего напряжения изменяется лишь электрическое поле в домене и его ширина. напряженность электрического поля вне домена, а соответственно и скорость его дрейфа практически не изменяется. Изменение тока через диод показано на рис.2.29. вследствие того, что вблизи катода обычно имеется высокоомный приконтактный слой, домен образуется у катода за время, равное времени релаксации t= r. после образования домена плотность тока через диод уменьшается, а напряженность электрического поля в полупроводнике становится меньше E_пор, вследствие чего второй домен образоваться не может. В течение времени t=l\v₀ домен дрейфует через объем полупроводника и ток через диод не изменяется. При достижении анода домен исчезает, плотность тока снова увеличивается до j_пор, а напряженность электрического поля Е_в до значения Е_пор. У катода образуется новый домен и цикл повторяется. Таким образом, диод Ганна может быть использован в качестве генератора.Для того чтобы домен мог сформироваться, необходимо, чтобы время пролета домена от катода к аноду было больше времени его образования, т. е. t=L/v >ee_o/qn₀µ₂= ?. отсюда условие возникновения колебаний тока может быть записано в виде

n₀l>ee_o v₀/qµ₂=A. (*)

Для арсенида галлия максимальная скорость электронов v=10⁷ см/с и значение A=(1... 2) • 10¹¹ см^-2.

Частота генерации диода ганна зависит только от длины образца: f=l/T=v₀/L, так как скорость движения домена от внешнего напряжения и элементов схемы почти не меняется. С уменьшением

L частота растет, например при L =100мкмf= 1 ГГц, а при L =10 мкм f =l0 ГГц. Минимально возможное значение L, определяющее максимальную частоту генерации, определяется условием (*).

Перестройку частоты генерации изменением внешнего напряжения можно осуществлять в конструкции диода ганна с переменным сечением (рис.2.30). Напряженность электрического поля в таком образце растет от катода к аноду. При напряжении V₁ напряженность электрического поля достигает значения Е_пор в части образца х>х₁. Проходимый доменом путь равен L-х₁ а частота генерации f₁=v₀/(L—x₁). При V₂>V₁ значение E_пор достигается в точке x₂, путь домена увеличивается и частота генерации уменьшается:

f₂=v₀/(L—x₂)

Если в диоде ганна выполняется условие (*), то при его включении сразу возникают колебания тока и экспериментально наблюдать участок отрицательного сопротивления на вольт-амперной характеристике (рис.2.25) невозможно.

Рис.2.30. конструкция диода ганна с переменным сечением и распределение напряженности электрического поля в нем

Рассмотренная неустойчивость протекания тока в диоде Ганна называется доменной. Образование доменов характерно для полупроводниковых приборов с вольт-амперной характеристикой N-типа. Согласно условию (*) колебания тока не возникают, если n₀L<А. в этом случае диод ганна ведет себя как обычный прибор с отрицательным сопротивлением. Такие диоды могут использоваться для усиления сверхвысокочастотных сигналов.

Режим ограничения накопления объемного заряда (ОНОЗ). Рассмотрим работу диода Ганна, к которому приложено постоянное смещение V₁=E₁L= (2 ... 3)E_nopL и переменное смещение такой величины, что в течение части периода напряженность электрического поля в диоде меньше E_пор (рис. 2.31).

В течение той части периода, когда E>E_nop, у катода формируется домен. Если период колебаний достаточно мал, то домен, не успев сформироваться, начнет рассасываться во время той части периода, когда E<E_nop. При образовании домена ток уменьшается, при рассасывании— увеличивается. Таким образом, существуют колебания тока, период которых определяется не временем пролета домена через диод, а внешним резонатором. Такой режим работы диода Ганна называется режимом ограниченного накопления объемного заряда (оноз), в отличие от ранее рассмотренного режима, который называют пролетным. Для осуществления режима оноз необходимо выполнение следующих условий:

1. период колебаний должен быть в 2... 3 раза меньше времени релаксации q₂, чтобы домен не успел до конца сформироваться за время, пока Е>Е_пор (µ₁=µ₂), т. е. T=1/f< (2-3)q₂<(2-3) ee_o /qµ₂n₀

2. за время, пока Е<Е_пор (µ=µ₁), домен должен успеть исчезнуть, что

обеспечивается при T>>q₁= ee_o /qµ₁n_0.Таким образом, диод Ганна может работать в режиме оноз лишь в интервале частот

eeo /qµ1<<n0/f<(2-3)eeo /qµ2

рис.2.31. работа диода ганна в режиме оноз

Преимуществом режима оноз является независимость рабочей частоты от длины диода. Это, во-первых, позволяет изменять частоту простой перестройкой внешнего резонатора и, во-вторых, брать диоды большей длины, к которым можно подводить большие напряжения от источника питания и соответственно получать большие мощности переменного сигнала. Кроме этого, режим оноз позволяет работать на более высоких частотах, чем пролетный режим.

В настоящее время диоды Ганна нашли широкое применение для генерации свч сигналов в диапазоне частот 1 - 90 ГГц. На частотах порядка единиц гигагерц могут быть получены величины генерируемых мощностей до 1 кВт, а на частотах около 90 ГГц До 0,5 Вт.

Сайт создан по технологии «Конструктор сайтов e-Publish»