Файл: Конспект.doc

Діод Ганна

• Діод Ганна - напівпровідниковий діод, що складається з однорідного напівпровідника, що генерує високочастотні коливання при прикладанні постійного електричного поля.

• Фізичною основою, що дозволяє реалізувати такі властивості в діоді, є ефект Ганна, який полягає в генерації високочастотних коливань електричного струму в однорідному напівпровіднику з N-подібною вольт-амперною характеристикою.

• Ефект Ганна виявлений американським фізиком Дж. Ганном (J. Gunn) в 1963 г. в кристалі арсеніду галію (GaAs, сполука А₃В₅) з електронною провідністю. Ганн виявив, що при прикладанні електричного поля E (E_пор ≥ 2-3 кВ/см) до однорідних зразків з арсеніду галію n-типу в зразках виникають спонтанні коливання струму. Пізніше він встановив, що при E> E_пор у зразку, зазвичай у катода, виникає невелика ділянка сильного поля - «домен», який дрейфує від катода до анода зі швидкістю ~ υ = 10⁶ м/с і зникає на аноді. Потім у катода формується новий домен, і процес періодично повторюється. Моменту виникнення домену відповідає падіння струму, що протікає через зразок. Моменту зникнення домену у анода - відновлення колишньої величини струму. Період коливань струму приблизно дорівнює прогонному часу, тобто часу, за який домен дрейфує від катода до анода.

Зона структура матеріалу

• Ефект Ганна спостерігається головним чином у двухдолинних напівпровідниках, зона провідності яких складається з однієї нижньої долини і кількох верхніх долин. Для того, щоб при переході електронів між долинами виникав від'ємний диференціальний опір, повинні виконуватися наступні вимоги:

• середня теплова енергія електронів повинна бути значно меншою енергетичного зазору між побічною та нижньою долинами зони провідності, щоб за відсутності прикладеного зовнішнього електричного поля більша частина електронів перебувала у нижній долині зони провідності;

• ефективні маси і рухливості електронів у нижній і верхніх долинах повинні бути різними. Електрони нижньої долини повинні мати високу рухливість μ₁, малу ефективну масу m₁* і низку густину станів. У верхніх побічних долинах електрони повинні мати низьку рухливість μ₂, більшу ефективну масу m₂* і високу густину станів;

• енергетичний зазор між долинами повинен бути меншим, ніж ширина забороненої зони напівпровідника, щоб лавинний пробій не наступав до переходу електронів в верхні долини.

• З вивчених і таких що знайшли застосування напівпровідникових матеріалів переліченим вимогам найбільше відповідає арсенід галію (GaAs) n-типу.

Механізм генерації

• Електрони нижньої долини мають малу ефективну масу m₁* і високу рухливість μ₁. Густина струму, що проходить через зразок, визначається концентрацією електронів у нижній долині n₁ (n₁ = n₀, де n₀ - рівноважна концентрація електронів в напівпровіднику):

J = en₁υ = en₁μЕ.

Збільшимо прикладена електричне поле. З ростом поля зростає швидкість дрейфу електронів. На довжині вільного пробігу l електрони набирають енергію eEl, віддаючи при зіткненнях з фононами кристалічної гратки меншу енергію. Коли напруженість поля досягає порогового значення E_пор, з'являються електрони, здатні переходити в верхню долину зони провідності.

• Подальше збільшення поля приводить до зростання концентрації електронів у верхній долині. Перехід з нижньої долини у верхню супроводжується значним зростанням ефективної маси і зменшенням рухливості, що веде до зменшення швидкості дрейфу. При цьому на вольт-амперній характеристиці зразка з'являється ділянка з негативним диференціальним опором (НДО)

N-подібна вольт-амперна характеристика

• Для виникнення від'ємного диференціального опору необхідний одночасний перехід більшості електронів з центральної долини в бічну при пороговій напруженості електричного поля (рис.). Але отримати статичну ВАХ, що відповідає суцільний кривій, не вдається, тому що в кристалі або поблизу невипрямних контактів завжди є неоднорідності, в результаті чого виникають локальні напруженості електричного поля, які перевищують середню напруженість.

• Перетворення в цих місцях «легких» електронів у «важкі» ще більше збільшує неоднорідність електричного поля. Тому практично не відбувається одночасний перехід більшості електронів в кристалі з центральної долини в бічну і статична ВАХ залишається без ділянки з НДО.

Розподіл електронів при різних значеннях напруженості поля

Утворення доменів

• Розглянемо зразок довжиною l, до якого прикладена зовнішня напруга. В однорідному напівпровіднику електричне поле приблизно однаково по всій довжині зразка. Але якщо в зразку є локальна неоднорідність із підвищеним опором, то напруженість поля в цьому місці зразка буде вищою, отже при збільшенні напруженості зовнішнього поля критичне значення E_пор виникне в першу чергу в цьому перерізі. Це означає накопичення в цій області (а не в усьому кристалі) важких електронів і зниження їх рухливості, а значить і підвищення опору. Новоутворена зона з високим вмістом важких електронів називається електричним доменом. Під дією прикладеного поля домен починає переміщатися уздовж зразка зі швидкістю υ ~ 10⁶ м/с. Ліворуч і праворуч від електронного домену рухатимуться легкі електрони з більш високою швидкістю, ніж важкі. Зліва вони будуть наганяти домен і утворювати область підвищеної концентрації електронів (область негативного заряду), а праворуч легкі електрони будуть іти вперед, утворюючи область, збіднену електронами (область позитивного заряду).

Режим прольоту

• Режим роботи діода Ганна на ефекті міждолинного переходу електронів, при якому виконується нерівність

n₀l > 10¹² см^-2,

де l довжина зразка;

називається режимом прольоту. Для його реалізації необхідно включити діод в паралельне резонансне коло, наприклад, в НВЧ - генератор з високою добротністю, налаштований на пролітну частоту (f = υ_Д l). В прольотному режимі на кривій залежності струму від часу будуть спостерігатися різкі сплески, якщо довжина зразка значно перевищує ширину домену (Рис.). Для отримання форми коливань струму, близької до синусоїдальної, необхідно зменшувати довжину зразка або збільшувати ширину домену. Ширину домену можна збільшити, зменшуючи концентрацію електронів (n₀) в зразку.

Умова реалізації генерації

• При роботі діода в резонаторі до нього крім постійного зовнішнього зміщення виявляється прикладеним також НВЧ - поле, що виникає в резонаторі за рахунок коливань струму, що протікає через діод. Припустимо, що НВЧ - поле змінюється в часі за гармонічним законом, а резонатор налаштований на частоту вищу пролітної (f > υ_Дl). Тоді при достатньо великій амплітуді НВЧ - поля дипольний домен в зразку може розсмоктатися не доходячи до анода. Для цього необхідно, щоб в напівперіод, коли вектори напруженості постійного і СВЧ - поля протилежні, сумарна напруженість поля була б меншою E_пор, а тривалість напівперіоду була б більшою часу релаксації Максвелла τ_М, що відповідає позитивній рухливості. З точністю до чисельного коефіцієнта останню умову можна записати так:

f^--1>εε₀/en₀µ або n₀/f > εε₀/eµ

Для GaAs і InP n₀/f > 10⁴ с/см³. Отримана нерівність є умовою реалізації режиму роботи діода з придушенням домену. У цьому режимі в кожен «позитивний» напівперіод СВЧ - поля в діоді E > E_пор і у катода зароджується домен, а в кожен «негативний» напівперіод він розсмоктується на шляху до анода. Таким чином, генерація змінного струму в цьому випадку відбувається на частоті, яка визначається параметрами резонансного електричного кола.

Якщо забезпечити одночасне виконання двох нерівностей:

ε ε₀/eµ < n₀/f < εε₀/eµ-,

де μ_- - негативна диференціальна рухливість, що відповідає ділянці вольт-амперної характеристики з негативною диференціальної провідністю;

то діод Ганна працюватиме в режимі обмеженого накопичення об'ємного заряду (ОНОЗ). Для GaAs і InP - 10⁴ < n₀/f < 10⁵ с/см³. Оскільки в отриманій нерівності період НВЧ - сигналу менший τ_М, що відповідає від'ємній диференціальної рухливості, то в напівперіод, коли E > E_пор, домен сильного поля не встигає повністю сформуватися, а в наступний напівперіод (E < E_пор) він повністю розсмоктується. При цьому буде спостерігатися зростання опору зразка в один напівперіод НВЧ - сигналу і спад його в інший, що викликає ефективну генерацію потужності на частоті, яка визначається параметрами зовнішнього електричного кола.