Діоди Ганна

Діоди Ганна - це функціональні прилади, які реалізують певну функцію. Зокрема діод Ганна реалізує функцію генератора СВЧ - коливань.

Вперше явище було відкрито Ганном в 1963 р.

Діод Ганна - це об'ємний матеріал на основі GaAs, який при додатку до нього постійної напруги в певному діапазоні, генерує НВЧ - коливання.

Рис 1

Причиною виникнення СВЧ - коливань, є наявність на ВАХ, ділянки з негативним диференціальним опором (ОДС).

Зонна діаграма та ВАХ GaAs.

GaAs - як напівпровідник

Рис 2

Рис 3

Лист

Змін

Лист

№ докум

Підпис

Дата

Ефективна маса m ₁ ^* = 0,07 m ₀ m ₁ ^* = 1,2 m ₀

Рухливість μ ₁ = 600 см ² / В _* з μ ₂ = 150 см ² / В _* з

У міру зростання прикладеної напруги до зразка GaAs додаткова енергія, яку набувають електрони, розташовані в основному мінімумі (нижня долина), зростає і починає наближатися до енергії междолінного розщеплення.

Електрон починає перебиратися з основного мінімуму до додаткового (верхня долина).

Рис 4

Вольт - амперна характеристика (ВАХ).

Рис 5

Лист

Змін

Лист

№ докум

Підпис

Дата

В наслідок того, що рухливості μ ₁ і μ ₂ відрізняються сильно, на ділянці ВАХ проявляється ділянку з ВДП.

Для GaAs - характерні точки між якими відбувається перерозподіл Е _а і Е _в

Е _а = 3,2 кВ / см Е _в = 20 кВ / см

Так як в GaAs енергія розщеплення менше ширини забороненої зони E <E _g, то Єв менше напруги лавинного пробою Е _лп (Е _в <Е _лп).

Механізм междолінних переходів призводять до появи ділянки з ОДС, годині за все називають ефектом Ганна.

Такий ефект реалізується в дуже малій кількості напівпровідників.

Якщо рухливості μ _1, μ ₂ мало відрізняються один від одного, то на ВАХ з'являється характеристика без ОДС.

Зарядова нестійкість в структурах з ОДС

Рис 7

П ри виборі робочої точки на ділянці ОДС будь зарядова нестійкість буде рости. Наприклад, якщо в якій - то точці збільшується негативний заряд, це призведе до зменшення поля зліва від нього і збільшується поле праворуч від нього, але при цьому струм зліва збільшується, а праворуч зменшується. І об'ємний заряд буде рости. І це буде відбуватися до тих пір, поки заряд не виросте на стільки, що поле Е ₁ і Е ₃ відповідні однаковим струмів. Після цього зростання зарядовим нестійкості припиниться і, але вона буде рухатися за зразком.

У момент виходу об'ємного заряду зі зразка виникає стрибок струму і ясно, що час прольоту через зразок - є час відповідне періоду коливань струму в зовнішньому ланцюзі.

У разі якщо ВАХ не має ділянки з ОДС, то зарядова нестійкість, що викликає зміну електричних полів, сама по собі розсмоктується.

Рис 8

Лист

Змін

Лист

№ докум

Підпис

Дата

Домени сильного електричного поля в діодах Ганна.

Рис 9

Рис 10

В GaAs флуктуації призводять до утворення сильного електричного поля, заряд в якому росте до тих пір, поки струми ліворуч і праворуч усередині домену не вирівняються. Причому усередині домену будуть тільки важкі електрони, а зовні поза домену - легкі електрони. Цей домен електричного поля також рухається на зразок і його руйнування на контактах буде відповідати появи коливань струму в ланцюзі.

Лист

Змін

Лист

№ докум

Підпис

Дата

Тимчасові параметри діодів Ганна.

Q - заряд

- Час релаксації щодо носіїв.

Якщо ми знаходимося на ділянці ОДС, то буде негативною і заряд буде не розсмоктуватися, а формуватися.

- Умова формування, а не розсмоктування заряду

З них випливає

Лист

Змін

Лист

№ докум

Підпис

Дата

  Тобто, ця формула

є умова конструювання діодів Ганна з GaAs.

W = 0,1 мм

= ^{7 Жовтня}

Статистична ВАХ GaAs.

  Звідси випливає

Експериментально встановлено, що для GaAs k = 4

Лист

Змін

Лист

№ докум

Підпис

Дата

СПІВВІДНОШЕННЯ, що описують ВАХ У Діоди Ганна НА ОСНОВІ GAAS

Рис 11

Лист

Змін

Лист

№ докум

Підпис

Дата