Transcript Диод Ганна
ДИОДЫ ГАННА Составили: Артюгин А.В. Суриков Д.А. ИСТОРИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ В 1963 г. Дж. Ганн установил, что если в монокристаллическом образце из арсенида галлия или фосфида индия n-типа создать постоянное электрическое поле с напряженностью выше некоторого порогового значения, то в цепи возникают спонтанные колебания силы тока СВЧ- диапазона. Позднее Ганн установил, что при напряженности поля выше пороговой у катода формируется домен сильного электрического поля, который движется к аноду со скоростью примерно равной 105 м/с и исчезает у анода. Когда домен формируется, сила тока в цепи уменьшается, при исчезновении домена сила тока возрастает. Таким образом, в цепи возникают периодические колебания силы тока. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ 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. СОБСТВЕННО, Э Ф ФЕКТ ГАННА Ганн обнаружил, что при приложении электрического поля E (Eпор ≥ 2-3 кВ/см) к однородным образцам из арсенида галлия n-типа в образце возникают спонтанные колебания тока. Позднее он установил, что при E > Eпор в образце, обычно у катода, возникает небольшой участок сильного поля – «домен», дрейфующий от катода к аноду со скоростью ~107 см/сек и исчезающий на аноде. ТРЕБОВАНИЯ К ЗОННОЙ СТРУКТ УРЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВ Для того, чтобы при переходе электронов между долинами возникало отрицательное дифференциальное сопротивление, должны выполняться следующие требования: средняя тепловая энергия электронов должна быть значительно меньше энергетического зазора между побочной и нижней долинами зоны проводимости. эффективные массы и подвижности электронов в нижней и верхних долинах должны быть различны. энергетический зазор между долинами должен быть меньше, чем ширина запрещенной зоны полупроводника. J en 1 Ä en 1 E . МЕЖДОЛИННЫЙ ПЕРЕХОД ЭЛЕКТРОНОВ В АРСЕНИДЕ ГАЛЛИЯ J en 1 Д en 1 E ВОЛЬТ-АМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА : СТАТИЧЕСКАЯ ВАХ АРСЕНИД А ГАЛЛИЯ J e ( n 1 1 n 2 2 ) E en 0 Д ( E ) Д (E ) Д (E ) J e ( n1 1 n 2 2 ) E en 0 e ( n1 n 2 ) ( n1 1 n 2 2 ) E n1 n 2 1E M2 1 M1 m 2 m 1 3/2 E 21 exp kT e 2 e e 1 E /( 3 k ) 2 Te ( E ) T M2 1 M1 m 2 m 1 3/2 E 21 exp kT e 1 E (1 BF ) k 1 F k ЗАРЯДОВЫЕ НЕУСТОЙЧИВОСТИ В ПРИБОРАХ С ОДС n ( t ) n ( 0 ) exp( M r 0 en 0 t M ) ВАХ ДИОД А ГАННА ПРОЛЕТНЫЙ РЕЖИМ По определению - режим работы диода Ганна на эффекте междолинного перехода электронов, при котором выполняется неравенство n 0 W 10 12 см-2 ЗАВИСИМОСТЬ ТОКА ОТ ВРЕМЕНИ ПРИ РАБОТЕ ДИОД А ГАННА В ПРОЛЕТНОМ РЕЖИМЕ РЕЖИМ РАБОТЫ ДИОД А С ПОД АВЛЕНИЕМ ДОМЕНА Условие реализации данного режима: n0 f r 0 e 1 a В этом режиме в каждый «положительный» полупериод СВЧ-поля в диоде E > EП и у катода зарождается домен, а в каждый «отрицательный» полупериод он рассасывается на пути к аноду. РЕЖИМ ОГРАНИЧЕННОГО НАКОПЛЕНИЯ ОБЪЕМНОГО ЗАРЯД А r 0 Условие: Для GaAs и InP e 1 10 4 n0 f n0 f 10 5 r 0 e с/см3 ГЕНЕРАЦИЯ СВЧ-КОЛЕБАНИЙ В ДИОД АХ ГАННА Связь между генерируемой мощностью и частотой E 2 можно представить в виде: P U 2 z E l 2 2 z zf 2 2 ~ 1 f 2 Мощность генерируемых СВЧ-колебаний зависит от полного сопротивления z или от площади рабочей части высокоомного слоя полупроводника. ЭФФЕКТ ГАННА наблюдается, помимо GaAs и InP, в электронных полупроводниках CdTe, ZnS, InSb, InAs и др., а также в Ge с дырочной проводимостью. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 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 нем мощности. ПОСЛЕДНИЙ СЛАЙД Благодарим за Внимание. Напоминаем, что над темой работали: Артюгин А.В. Суриков Д.А. Кстати есть пара картинок, например: