Файл: Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах. Проектирование и расчет.pdf

ристики (DNP). Ветвь DNP обусловлена ударной иониза­ цией в домене сильного электрического поля 123, 24]. При попадании рабочей точки на ветвь NP домен оказывается неустойчивым. Если резистивная нагрузка диода велика, то рабочая точка на вольтамперной характеристике будет перемещаться почти параллельно оси напряжений при об­ разовании первого домена и попадет на ветвь NP. Разру­ шение домена в результате ударной ионизации приведет к увеличению его проводимости, увеличению падения напря­

жения вне домена и тока через диод. Если в результате этого процесса ток через прибор достигнет порогового, то возник­ нет второй домен при неисчезнувшем первом и т. д. Форма тока через диод станет нерегулярной вследствие зарождения новых доменов на катоде, частота не будет соответствовать времени пролета домена, амплитуда колебаний тока через диод окажется значительно меньше, чем в случае устойчиво­ го домена. Таким образом, при определенном превышении напряжения сверх порогового диод Ганна работает неустой­ чиво. Устойчивость работы диода Ганна зависит от «ширины» вольтамперных характеристик. Под этим понимается превы­ шение напряжения на диоде сверх порогового, которое при­ водит к развитию ударной ионизации в домене и неустойчи­

можно воспользоваться моделью треугольного домена, счи-

тая, что изменение потенциала домена не приводит к изме­ нению потенциала вне домена и значение потенциала домена при превышении напряжения на диоде сверх порогового на AU равно

когда£д достигает некоторого критического значения £ д к р и т . Из расчетов следует, ч т о £ , д , ф и 1 , составляет примерно 180— 200 кВ/см для ударной ионизации зона — зона. Ударная ионизация глубоколежащих в запрещенной зоне примесей будет оказывать несущественное влияние в связи с тем, что вероятность ионизации атомов основной решетки зна­ чительно] больше, чем глубоколежащих примесных атомов из-за их значительно меньшей концентрации.

Поскольку напряженность электрического поля в домене

для данной концентрации материала существуют граничные длины диодов, при которых еще возможна их устойчивая работа при пороговых напряжениях. Отсюда следует, что существует верхний предел по n0L для диодов Ганна, кото­

Критерий (8.45) позволяет определить для данной концент­ рации п0 максимальную длину диодов и для данной длины L максимальную концентрацию п0, при которых диод при по­ роговом напряжении будет работать устойчиво.

мально широкими характеристиками обладают диоды Ганна

перных характеристик, так как динамическая характери­ стика Уд(-Ё'д) и напряженность электрического поля в домене Ея зависят от fxj26].

На ширину вольтамперных характеристик диодов Ганна влияет также температура окружающей среды вследствие

Если бы арсенид галлия был некомпенсированным ле­ гированным полупроводником я-типа, то концентрация носителей слабо зависела бы от температуры. Однако по­ скольку в настоящее время в большинстве случаев исполь­ зуется компенсированный GaAs, он обладает значительной зависимостью п0{Т°). Это приводит к тому, что с ростом тем-

пературы увеличивается концентрация носителей п0. При этом уменьшается подвижность носителей, и в результате ширина характеристики уменьшается. Увеличение п0 при­ водит к увеличению £д и меньшим избыткам напряжения сверх порогового, необходимым для развития ударной ио­ низации в домене. Таким образом, увеличение температуры окружающей среды сужает область устойчивой работы дио­ дов Ганна (критерий nQL ~ 1014 с м - 2 остается при этом в силе). С уменьшением температуры окружающей среды рас­ ширяются вольтамперные характеристики, т. е. расширяет­ ся область устойчивой работы диодов Ганна (это справедли­ во для монокристаллов GaAs).

8.2.РЕЖИМЫ РАБОТЫ ДИОДОВ ГАННА

Основным условием, необходимым для работы диода Ганна, является обеспечение напряжения на диоде, превы­ шающего пороговое. Дальнейшее поведение диода опреде­ ляется той схемой, в которую он включен, и воздействием этой схемы на процессы формирования и подавления до­ менов сильного электрического ПОЛЯ.

В зависимости от соотношений между временем пролета домена и периодом колебаний внешней цели (и ее парамет­ ров) можно выделить следующие основные режимы работы диодов Ганна:

—пролетный режим или ганновский;

—режим с задержкой образования домена;

—режим с подавлением домена;

—режим с ограниченным накоплением объемного (про­ странственного) заряда (ОНПЗ, ОНОЗ);

—гибридный режим;

—параметрический режим;

—режим усиления.

Рассмотрим особенности и различия указанных режимов работы.

8.2.1. Пролетный режим

Пролетным режимом называется режим осцилляции тока при напряжении питания диода, превышающем пороговое, в схеме с постоянным напряжением (импеданс нагрузки равен нулю), а также в схеме, в которую введена конечная величина активной нагрузки для передачи в нее мощности.

Частота генерации в пролетном режиме соответствует сумме времени пролета домена от катода к аноду и времени на об­ разование домена и рекомбинацию его на аноде. Это наибо­ лее простой вид колебаний и первый из наблюдавшихся эк­ спериментально [28]. Когда приложенное напряжение по­ стоянно, колебания тока представляют собой ряд импульсов большого тока, длительность которых определяется време­ нами рекомбинации домена и формирования нового домена. Такой вид колебаний тока при постоянном питающем напря­ жении представляет интерес только для исследования фи­ зических процессов в диодах, так как он энергетически не­ выгоден.

Если в цепь диода Ганна введена конечная величина ак­ тивной нагрузки, включенной последовательно с диодом (питание от генератора напряжения), то соотношения между временами формирования и рекомбинации домена изменя­ ются. Напряжение на диоде не будет постоянным во вре­ мени, а будет изменяться в«противофазе» с импульсом тока: импульсам большого тока через диод будут соответствовать импульсы малого напряжения (см. рис. 8.7).

Следует отметить, что конкретная форма тока и напря­ жения в пролетном режиме зависят от ширины домена /д . Ширина же домена определяется концентрацией п0 и длиной диода L . Уменьшение п0 приводит к увеличению / д и, следо­ вательно, увеличению времени формирования іф и времени рекомбинации домена / р (см. рис. 8.7). Чем больше л0 ,тем меньше длительность импульсов большого тока через диод по сравнению с периодом колебаний.

Ограничениями при работе диода в пролетном режиме являются ширина характеристики и время формирования доменов. Ширина характеристики определяет величину мак­ симально возможной нагрузки, включенной последователь­ но с диодом, при которой возможна устойчивая работа. Вре­ мя формирования домена при /?н=^=0 оказывается большим времени формирования домена при RH = 0. Время фор­ мирования будет определяться конечным потенциалом до­ мена при заданной нагрузке, а форма тока будет отличаться от изображенной на рис. 8. 7. Средняя величина тока через диод с увеличением /ф будет расти.

Если диод Ганна имеет резонансную нагрузку [28], то при условии, что напряжение, развиваемое во внешней цепи, невелико и не препятствует процессам зарождения и рекомбинации домена на аноде, внешняя цепь будет дейст­ вовать в основном как избирательный фильтр частот, ко-