7.1. Диод Ганна

7.2. Эффект Ганна

7.3. Влияние внешней цепи

7.4. Режимы работы диодов Ганна

7.5. Конструктивное оформление и основные параметры диодов Ганна

7.6. Эквивалентные схемы генераторов на диодах Ганна

7.1. Диод Ганна

Диод Ганна представляет собой полупроводниковый кристалл с двумя омическими контактами для внешних выводов (рис. 7.1, а). В качестве полупроводникового материала используется арсенид галлия GaAs или другой материал, в которых проявляется эффект Ганна (см. ниже) . Полупроводник имеет донорную примесь с концентрацией n =10¹⁴ ¸ 10¹⁶ 1/см³. Так как полупроводники, в которых проявляется эффект Ганна, при контакте с металлами обычно образуют барьер Шоттки, то для организации нормального омического контакта формируются дополнительные слои n+ с концентрацией 10¹⁸ - 10¹⁹ 1/см³ (рис. 7.1, б). Активная часть диода Ганна (n- слой) имеет длину 1¸ 100 мкм, диаметр 50¸ 250 мкм и более.

Рис. 7.1

Омические контакты с соответствующими выводами называются, как и у остальных диодов, катодом и анодом, но принципиально они не имеют особого различия.

При работе катод соединяется с отрицательным, а анод с положительным выводом источника питания. Так как основная масса зарядов - это электроны, то при наличии тока на анодном выводе выделяется тепловая энергия и поэтому вывод анода должен иметь хороший теплоотвод. По этой причине он выполняется более массивным и обычно соединяется с корпусом устройства.

7.2. Эффект Ганна

Для некоторых полупроводников (например, арсенид галлия GaAs, фосфид индия InP и др.) энергетическая диаграмма в зоне проводимости имеет сложную структуру. Если изобразить зависимость энергии электрона от волнового вектора, то для указанных выше полупроводников имеются один основной и один или несколько побочных минимумов в зоне проводимости (рис. 7.2). Благодаря этому электроны в зоне проводимости могут находиться в различных энергетических состояниях - либо в основном минимуме (долине), или в побочном, отстоящем для GaAs от основного примерно на величину D W = 0,36 эВ. Таким образом зона проводимости как бы состоит из нескольких подзон. Электроны, находящиеся в нижней подзоне, имеют меньшую энергию (“холодные” электроны), а в верхней подзоне - большую (“горячие” электроны).

Рис. 7.2

На движение электронов, а также на их энергетическое состояние влияет как внешнее электрическое поле Е₀, создаваемое источником питания, так и внутреннее кристаллическое поле.

Для оценки суммарного влияния внутреннего и внешнего электрических полей вводится понятие эффективной массы электронов. В нижней долине (основном минимуме) m_1эфф = 007 m₀ (“легкие”, но “холодные” электроны), а в верхней (боковом минимуме) m_2эфф = 1,2 m₀ (“тяжелые”, но “горячие” электроны), где m₀ - масса свободного электрона. Подвижности электронов также резко отличаются. Для “холодных” электронов m ₁=5000 см²/В*с, а для “горячих” - m ₂=100 см²/В*с.

Обозначим концентрацию “легких” электронов n₁ , а “тяжелых” n₂; тогда n₀ = n₁ + n₂ . При слабом внешнем электрическом поле почти все электроны зоны проводимости находятся в нижней подзоне, то есть n₂=0, n₁= n₀. Дрейфовая скорость электронов V_{др 1} = m ₁*Е , то есть изменяется линейно с ростом Е (рис. 7.3, а).

Плотность тока: J = e (m ₁*n₁+m ₂*n ₂)E = e*m ₁*n₀*E=e*n₀*V_{др 1}, то есть так же растет линейно с ростом напряженности поля (рис. 6.3,б).

При возрастании внешнего поля до величины Е > Е₁ (для арсенида галлия Е₁ = 3*10³ В/см, для фосфида индия Е₁ = 6*10³ В/см) одновременно с некоторым увеличением скорости электронов начинают сказываться различные эффекты, связанные со столкновениями электронов с узлами кристаллической решетки, из-за чего повышается температура электронного “газа” и электроны получают возможность перейти в верхнюю долину. При значении внешнего поля Е ³ E₂ (обычно E₂ » 2E₁) практически все электроны окажутся в верхней долине (n_1» 0 ). Дрейфовая скорость электронов соответственно равна: V _{др 2} = m ₂ Е, а плотность тока - J = e m ₂ n₂ E = e m ₂ n₀ E = e n₀ V_{др 2} .

Рис. 7.3

Совершенно очевидно, что на участке E₁< E< E₂ должны наблюдаться уменьшение средней дрейфовой скорости и спад плотности тока при росте напряженности внешнего поля (отрицательная дифференциальная подвижность и отрицательное дифференциальное сопротивление) (рис. 7.3, а, б).

Следует отметить, что такой вид графиков будет наблюдаться, если переход электронов из нижней энергетической подзоны в верхнюю будет происходить одновременно по всему объему полупроводника.

Экспериментальное исследование образцов из указанных выше полупроводников с примесью n - типа показало, что интенсивный междолинный переход электронов происходит не по всему объему образца, а в некоторых областях, в первую очередь там, где имеются неоднородности. Даже в химически однородных образцах из-за наличия омических контактов (анода и катода - рис. 7.4) будут возникать области с повышенными значениями напряженности поля, и, следовательно, вблизи контактов в первую очередь возникает междолинный переход электронов.

Из-за малого времени взаимодействия электронов с полем неоднородность вблизи анодного контакта практически не влияет на процессы в образце и ниже мы будем учитывать влияние неоднородности только вблизи катода.

Итак, при увеличении электрического поля именно вблизи катода (рис. 7.4, а, б, в) создаются благоприятные условия для перехода электронов в верхнюю подзону (долину) с одновременным резким уменьшением дрейфовой скорости. Переход некоторого количества электронов в верхнюю подзону приведет к увеличению сопротивления этого участка образца, что в свою очередь ведет к дальнейшему увеличению электрического поля на этом участке и уменьшению поля слева и справа от участка. Увеличение поля на “горячем участке” ведет к увеличению числа “горячих” электронов.

Независимо от того, являются ли электроны “горячими” или “холодными”, все они движутся к аноду. При движении к аноду в участок с “горячими”, но медленными электронами будут вливаться слева догоняющие их быстрые электроны, увеличивая концентрацию электронов на “горячем участке”. А “холодные” электроны, двигавшиеся справа от слоя горячих, быстро уходят в отрыв, обеспечивая преобладание положительных зарядов кристалла (донорных ионов) непосредственно перед слоем “горячих” электронов (рис. 7.4, г).

Таким образом, движение “горячих” и “холодных” электронов приводит к формированию подвижного двойного электрического слоя зарядов - домена.

Появление двойного электрического слоя дополнительно увеличивает напряженность поля в доменной области и еще более способствует переходу электронов в верхнюю долину.

Этот процесс продолжается до тех пор, пока с одной стороны, практически все электроны в этой области не станут “горячими”, а с другой - произойдет выравнивание дрейфовых скоростей электронов, движущихся в составе домена и вне его (V_{др 1}= m _Е₁= V_{др 2}= m ₂ Е₂ ). Выравнивание происходит за счет значительного ослабления электрического поля за пределами домена. После выравнивания скоростей концентрация электронов, а также дрейфовая скорость не изменяются, то есть формирование домена закончилось. Время формирования домена t _ф = 10^{-12 ¸} 10^-13 с.

Ток в цепи полупроводникового образца в течении всего времени движения домена от катода к аноду остается практически постоянным. При достижении анода домен рассасывается, общее сопротивление образца уменьшается и ток возрастает, однако рассасывание домена у анода создает возможность для формирования нового домена у катода и процесс повторяется. В результате ток через образец будет претерпевать периодические изменения (рис. 7.4) с частотой:

; где: l - длина образца, V_др - средняя дрейфовая скорость, f _пр - пролетная частота.

Рис. 7.4

Рис. 7.5

Разумеется все эти процессы протекают при условии, что внешняя цепь полупроводникового образца не влияет на законы изменения тока, в частности, источник питания не стабилизирован по току.

Обобщая вышесказанное, можно сделать следующие выводы:

а) участки образца вне домена ведут себя как обычная среда, проводимость которой подчиняется закону Ома;

б) участок образца внутри домена обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением, что позволяет использовать образцы в качестве активных элементов усилителей и генераторов СВЧ.

Для реального диода при работе в динамическом режиме зависимость V_др.ср. от напряжения и ВАХ (рис. 7.6) отличаются от идеализированных (рис. 7.3, а, б).

В динамическом режиме и V_др.ср., и ток через образец при U > U_п уменьшаются, а затем остаются практически постоянным. Это объясняется тем, что резкое увеличение поля наблюдается только в относительно узкой полоске образца, а за пределами домена поле остается относительно слабым. При этом рост напряжения приводит к расширению участка с сильным полем, а участки со слабым полем слева и справа от домена соответственно уменьшаются. Электрическое поле и скорость движения электронов на участках вне домена остаются неизменными.

При значительном увеличении приложенного напряжения температура кристалла увеличивается, что может привести к перегреву (прожиганию) кристалла.

Аналогичный вид будет иметь график зависимости V_{др. ср.}= F(U) (рис. 7.6, б).

Рис. 7.6

7.3. Влияние внешней цепи

Выше предлагалось, что внешняя цепь состоит только из источника питания и соединительных проводов, представляющих собой чисто активные (омические) элементы. В действительности на СВЧ как элементы внешней цепи (обычно это колебательная система), так и элементы самого диода Ганна будут иметь реактивные сопротивления и поэтому внешняя цепь вместе с диодом будет представлять довольно сложную колебательную систему с определенными резонансными частотами. Возбуждение на этих частотах неминуемо приведет к тому, что диод Ганна окажется под воздействием не только постоянного, но и переменного напряжений (и, соответственно, полей), что может существенно повлиять на физические процессы в диоде Ганна.

При достаточно большой амплитуде колебаний во время положительного полупериода могут возникнуть условия для формирования домена, а при отрицательном - для рассасывания домена или задержки его образования. Таким образом, внешняя цепь существенно влияет на режим работы диодов Ганна.

7.4. Режимы работы диодов Ганна

В зависимости от амплитуды колебаний, а также от соотношения времени пролета домена и периода колебаний возможны следующие режимы работы диодов Ганна.

Пролетный режим.

Этот режим полностью соответствует описанному выше эффекту Ганна. Он возможен при работе диода на колебательную систему с низкой добротностью. При этом U~ << U₀, а генерируемая частота приблизительно равна пролетной частоте:

, то есть генерируемая частота определяется геометрическими размерами образца. Так как V_др.нас.=10⁷ см/сек, то .

График изменения тока (см. рис. 7.5) во внешней цепи имеет явно выраженный несинусоидальный характер, амплитуда первой гармоники тока при такой форме импульсов относительно невелика, поэтому этот режим характерен низким КПД (не более 10%, чаще всего 2 ¸ 5%).

Режим с задержкой образования домена.

Этот режим реализуется при использовании колебательной системы с невысокой и средней добротностью и частотой настройки f < f _пр. Для объяснения этого режима на рис. 7.7 показаны временные диаграммы напряжения и тока диода.

Рис. 7.7 Введем обозначения: U₀ - постоянное напряжение, приложенное к диоду Ганна; U_m- амплитуда переменного напряжения; U_п- пороговое напряжение, при котором возникает домен; U_р- напряжение, при котором рассасывается домен;

U_п >U_р, так как до образования домена поле внутри “горячего” участка создается в основном внешним напряжением, а когда домен сформирован львиная доля электрического поля в горячем участке создается доменом и домен будет еще существовать даже при уменьшении внешнего напряжения ниже порогового.

Для этого режима U₀ - U_m>U_р, то-есть после возникновения домен может исчезнуть только при достижении анодного контакта. В момент t₁ U ³ U_п и, следовательно, домен образуется и начинает двигаться к аноду. Ток в этот момент падает до минимального значения и остается практически постоянным в течение всего времени движения домена. Рассасывание домена происходит при достижении доменом анодного контакта (предположим, это момент t₃ ).

Отрицательное дифференциальное сопротивление диода будет обеспечиваться, если момент прихода домена на анод и, следовательно, момент рассасывания домена лежит в пределах t₂ - t₄. Это объясняется тем, что с одной стороны в момент рассасывания напряжение должно быть меньше порогового, а с другой - напряжение в момент рассасывания домена должно уменьшаться. Так как при рассасывании домена ток увеличивается, то диод Ганна в этот момент представляет собой устройство с отрицательным дифференциальным сопротивлением. После рассасывания домена новый домен образуется не сразу, а в момент t₅, когда U ³ U_п. В этот момент диод также ведет себя как устройство с отрицательным сопротивлением, так как напряжение увеличивается, а ток при образовании домена уменьшается.

В этом режиме время движения домена должно быть меньше периода колебаний. Обычно Т/2 £ t £ Т, или 0,5 f_пр £ f_раб £ f_пр .Форма импульсов тока в этом режиме близка к прямоугольной, что обеспечивает наибольшую амплитуду первой гармоники и, следовательно, повышенное значение КПД (до 27%).

Режим с подавлением (гашением) домена.

В этом режиме в течение части периода U₀- U_m< U_р и поэтому домен может расформировываться (рассасываться), не доходя до анода. В момент t₁ (U ³ U_п) домен возникает и существует до времени t₂, когда U = Uр (рис. 7.8). Время пролета домена от катода до анода должно быть больше той части периода, когда напряжение меняется от U_п до U_р (t > t₂ - t₁), то-есть домен еще не доходит до анода, когда напряжение уменьшается до U_р.

Рис. 7.8

Новый домен возникает в момент t₃ и далее процесс повторяется. Рабочая частота в этом случае может изменяться в пределах:

0,75 f _пр £ f _раб £ (2 ¸ 3)f _пр.

КПД генератора при работе в этом режиме меньше, чем в режиме с задержкой образования домена, но больше, чем в пролетном. Обычно КПД составляет 8 ¸ 12 %.

Режим с ограниченным накоплением объемного заряда (ОНОЗ).

Этот режим возможен при настройке высокодобротной колебательной системы на частоту, много больше пролетной (f_раб >> f_пр). При большой добротности системы амплитуда колебаний достигает значительной величины и во время отрицательного полупериода при U< U_п (промежуток t ₁), происходит рассасывание накопленного заряда (рис. 7.3).

При достаточно высокой частоте колебаний домен не успевает сформироваться, однако ток через образец периодически изменяется, уменьшаясь при увеличении U свыше U_n и увеличиваясь при уменьшении U ниже U_n.

Таким образом, и в этом режиме диод Ганна ведет себя как устройство с отрицательным сопротивлением.

Для обеспечения режима ОНОЗ необходимо обеспечить условия, при которых формирование домена было бы затруднено. Это обеспечивается технологически путем максимального исключения возможных неоднородностей, то есть использования сверхчистых однородных кристаллов.

Ограничение накопления объемного заряда позволяет использовать для этого режима образцы с большим пролетным промежутком, а также использовать повышенные рабочие напряжения, что ведет к увеличению выходной мощности устройств. Однако серьезной проблемой остается обеспечение высокой добротности колебательной системы, а также высокой однородности кристалла.

Гибридные режимы.

Эти режимы характеризуются тем, что в различные части периода могут существовать различные режимы (сначала доменный, а потом ОНОЗ).

Независимо от типа режима, во всех случаях диод Ганна представляет собой устройство с отрицательным дифференциальным сопротивлением и может быть использован для создания генераторов и регенеративных усилителей СВЧ диапазона.

Рис. 7.9

7.5. Конструктивное оформление и основные параметры диодов Ганна

Любые СВЧ диоды, в том числе и диоды Ганна, могут иметь патронную, таблеточную, волноводную, коаксиальную, полосковую и прочие варианты конструкций, в том числе бескорпусную [3, 4, 6] . Кроме этого диоды Ганна могут быть сформированы в кристаллической подложке полупроводниковых ИМС.

В настоящее время промышленностью выпускаются различные типы диодов Ганна, предназначенные для усиления и генерации на частотах от 1 ¸ 2 ГГц до 150 ГГц и более. При этом отдельный тип диодов способен работать в диапазоне частот не более 20 - 30% от средней частоты. Выходные мощности в непрерывном режиме от единиц милливатт в верхней части СВЧ диапазона до единиц ватт в дециметровом и метровом диапазоне. Повышенные значения выходной мощности для всех режимов, кроме ОНОЗ, получают путем увеличение рабочего тока диода, что в свою очередь требует увеличения площади поперечного сечения кристалла и улучшения теплоотвода.

Для частот ниже 1 ГГц диоды Ганна не выпускаются, так как для работы на этих частотах промышленность освоила выпуск СВЧ транзисторов с хорошими показателями и гораздо лучшими функциональными возможностями.

7.6. Эквивалентные схемы генераторов на диодах Ганна

Генератор на диоде Ганна представляет собой колебательную систему (резонатор) с установленным в ней диодом Ганна. Эквивалентная схема генератора должна включать эквивалентные схемы диода, колебательной системы и нагрузки.

Диод Ганна может быть представлен обычной эквивалентной схемой СВЧ диода (рис. 7.10, а). На этой схеме последовательное сопротивление r, индуктивность выводов L и емкость корпуса С_к зависят от конструкции элементов структуры и ее свойств, а отрицательное активное сопротивление диода - R и емкость С_д зависят еще и от режима питания диода.

При известных параметрах эквивалентной схемы диода и частоте эта схема может быть пересчитана в простую двухэлементную последовательную цепочку (рис. 7.10, б) или параллельную цепочку (рис. 7.10, в).

Эквивалентная схема генератора может быть представлена в двух вариантах - в виде последовательной эквивалентной схемы или параллельной.

В последовательной эквивалентной схеме (рис. 7.11, а):

-R_д , X_д - элементы эквивалентной схемы диода Ганна (рис. 7.10, б);

L, C, R - элементы колебательной системы;

R¢ _н - эквивалентное (с учетом связи) сопротивление нагрузки.

Генерация возможна, если |-R_д | ³ R + R¢ _н

В параллельной эквивалентной схеме (рис. 7.11, б):

-G_д, В_д - элементы эквивалентной схемы диода Ганна (рис. 7.10, в);

L, C, G - элементы колебательной системы;

G¢ _н - эквивалентная проводимость нагрузки.

Генерация возможна, если |-G_д | ³ G + G¢ _н.

Приведенные эквивалентные схемы являются упрощенными и могут использоваться для частот не свыше 10 ¸ 11 ГГц.

Рис. 7.10

Рис. 7.11

Контрольные вопросы.

1. Объяснить эффект Ганна на основе двухдолинной модели энергетических состояний полупроводника.
2. Пояснить возникновение и исчезновений домена в полупроводниках.
3. Пояснить устройство диода Ганна.
4. Объяснить работу диодов Ганна в различных режимах.
5. Эквивалентная схема диода Ганна и ее элементы.
6. Конструктивные особенности диодов Ганна различных типов.
7. Основные области применения диодов.
8. Пояснить устройство генераторов на диодах Ганна.
9. Пояснить методы перестройки частоты генераторов.