Размещено на http://www.allbest.ru/

ДИОД ГАННА. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ, ПРИМЕНЕНИЕ

Павленко М.Е.

Аннотация

В работе рассматривается использование, конструкция диода Ганна. С какой частотой колебательной системы определяется данный диод.

Ключевые слова. Полупроводниковый прибор, СВЧ генератор, резонансная частота.

Annotation

DIODE GUNNA. PRINCIPLE OF ACTION, APPLICATION.

Pavlenko ME, Oglobin G.V.

AmGPGU, Komsomolsk-on-Amur, Russia

The paper discusses the use, the design of the Gunn diode. What is the frequency of the oscillating system is determined by this diode.

Keywords. Semiconductor device, microwave generator, resonant frequency.

Конструкция и принцип действия

Диод Ганна традиционно представляет собой слой арсенида галлия с омическими контактами с обеих сторон. Активная часть диода Ганна обычно имеет длину от l до 100 мкм с концентраций легирующих донорных примесей 10¹⁴?10¹⁶ см^?3. В этом материале, в зоне проводимости, имеются два минимума энергии, которым соответствуют два состояния электронов -- «тяжёлые» и «лёгкие». В связи с этим с ростом напряжённости электрического поля средняя дрейфовая скорость электронов увеличивается до достижения полем некоторого критического значения, а затем уменьшается, стремясь к скорости насыщения (рис. 1)

Рис. 1 Структура диода Ганна

Таким образом, если к диоду приложено напряжение, превышающее произведение критической напряжённости поля на толщину слоя арсенида галлия в диоде, равномерное распределение напряжённости по толщине слоя становится неустойчиво. Тогда при возникновении даже в тонкой области небольшого увеличения напряжённости поля электроны, расположенные ближе к аноду, «отступят» от этой области к нему, а электроны, расположенные у катода, будут пытаться «догнать» получившийся движущийся к аноду двойной слой зарядов. При движении напряжённость поля в этом слое будет непрерывно возрастать, а вне его -- снижаться, пока не достигнет равновесного значения. Такой движущийся двойной слой зарядов с высокой напряжённостью электрического поля внутри получил название домена сильного поля, а напряжение, при котором он возникает -- порогового.

В момент зарождения домена ток в диоде максимален. По мере формирования домена ток уменьшается и достигает своего минимума по окончании формирования. Достигая анода, домен разрушается, и ток снова возрастает. Но едва он достигнет максимума, у катода формируется новый домен. Частота, с которой этот процесс повторяется, обратно пропорциональна толщине слоя полупроводника и называется пролетной частотой.

На ВАХ полупроводникового прибора наличие падающего участка является недостаточным условием для возникновения в нём СВЧ колебаний, но необходимым. Возникновение колебаний означает, что в кристалле полупроводника развивается неустойчивость. Характер этой неустойчивости зависит от параметров полупроводника (профиля легирования кристалла, его размеров, концентрации носителей и т. д.).

При помещении диода Ганна в резонатор возможны другие режимы генерации, при которых частота колебаний может быть сделана как ниже, так и выше пролетной частоты. Эффективность такого генератора относительно высока, но максимальная мощность не превышает 200--300 мВт.

Существенно влияние омических (невыпрямляющих) контактов к кристаллу. Для выполнения низкоомных омических контактов, необходимых для подвода тока для работы диодов Ганна существуют два подхода:

?первый из них заключается в выборе приемлемой технологии нанесения таких контактов непосредственно на высокоомный кристалл арсенида галлия;

?при втором подходе кристалл прибора выполняется многослойным. В диодах с такой структурой на слой высокоомного низколегированного арсенида галлия наращивают с обеих сторон эпитаксиальные слои низкоомного высоколегированного арсенида галлия с проводимостью n-типа. Эти высоколегированные слои служат переходными подложками от рабочей части кристалла к металлическим электродам.

Применение

Диод Ганна может быть использован для создания генератора в 10 ГГц и выше (вплоть до ТГц) диапазона частот. Резонатор, который может быть выполнен в виде волновода, применяют для управления частотой.

Частота генераторов на диоде Ганна определяется в основном резонансной частотой колебательной системы с учетом ёмкостной проводимости диода и может перестраиваться в относительно широких пределах механическими (с помощью изменения геометрических размеров резонатора) и электрическими методами.

Однако, срок службы генераторов Ганна относительно мал, что связано с одновременным воздействием на кристалл полупроводника таких факторов, как сильное электрическое поле и перегрев полупроводникового кристалла прибора выделяющейся в нём мощностью.

Диоды Ганна, работающие в различных режимах, используются в диапазоне частот 1--100 ГГц. В непрерывном режиме генерации генераторы на диодах Ганна имеют КПД около 2--4 % и обеспечивают выходную мощность от единиц мВт до единиц Вт. Но, при использовании прибора в импульсном режиме КПД увеличивается в 2--3 раза. Специальные широкополосные резонансные системы позволяют добавить в мощность полезного выходного сигнала высшие гармоники и служат для увеличения КПД. Такой режим работы генератора называется релаксационным.

Существуют несколько разных режимов использования генераторов на диоде Ганна в зависимости от питающего напряжения, температуры, характера нагрузки: доменный режим, гибридный режим, режим ограниченного накопления объемного заряда и режим отрицательной проводимости. диод ганн омический ток

Наиболее часто используемым режимом является доменный режим, при котором в течение большей части периода колебаний характерен режим существования домена. Доменный режим может быть реализован в трёх различных видах: пролётный, с задержкой образования доменов и с гашением доменов. Переход между этими видами происходит при изменении сопротивления нагрузки.

Для диодов Ганна был так же предложен и осуществлен режим ограничения и накопления объёмного заряда. Этот режим имеет место при больших амплитудах напряжения на диоде и на частотах, в несколько раз больших пролетной частоты, и при средних постоянных напряжениях на диоде, которые в несколько раз превышают пороговое значение. Однако, существуют определённые требования для реализации этого режима: полупроводниковый материал диода должен быть с очень однородным профилем легирования. При этом однородное распределение электрического поля и концентрации электронов по длине образца обеспечивается за счет большой скорости изменения напряжения на диоде.

Помимо арсенида галлия (GaAs) и фосфида индия (InP, используется на частотах до 170 ГГц) при изготовлении диодов используется эпитаксиальное наращивание, для изготовления диодов Ганна также применяется нитрид галлия (GaN). В диодах, изготовленных из этого материала была достигнута наиболее высокая частота колебаний -- 3 ТГц.

Диод Ганна имеет низкий уровень амплитудного шума и низкое рабочее напряжение питания (от единиц до десятков В).

При использовании диоды монтируются в резонансных камерах, выполненных на поверхности микросхем с диэлектрическими подложками в комбинации с ёмкостными и индуктивными компонентами, либо используются в виде комбинации внешних резонаторов и микросхем.

Эффект Ганна

Эффект Ганна был открыт Джоном Ганном в 1960-х годах. После его экспериментов на основе GaAs (Арсенид галлия), он обратил внимание на помехи, возникшие в результате этих опытов. Далее он использовал это для генерации электрических колебаний в диапазоне сверхвысоких частот в устойчивом электрическом поле, величиной больше чем пороговое значение.

Этот эффект Ганна можно определить как генерация СВЧ (частоты порядка нескольких ГГц) возникающая всякий раз, когда напряжение, прикладываемое к полупроводниковому прибору превышает его критическое пороговое значение.

СВЧ генератор на диоде Ганна

Диод Ганна используются для построения генераторов микроволн с частотами в диапазоне от 10 ГГц до ТГц

Это устройство, имеющее отрицательное дифференциальное сопротивление (NDR -Negative Differential Resistance) - также называемого как прибор переноса электронов -- является колебательным контуром, состоящий из диода Ганна и подаваемого на него постоянного напряжения смещения (в области отрицательного сопротивления).

Рис. 2 СВЧ генератор

Благодаря этому, суммарное дифференциальное сопротивление цепи становится равным нулю, так как отрицательное сопротивление диода сокращается при положительном сопротивлении цепи, что приводит к возникновению колебаний.

Таким образом, можно утверждать, что диод Ганна является типом полупроводниковым диодом в полупроводниковой структуре не имеющее p-n переходом и используется для генерации и преобразования колебаний в диапазоне СВЧ.

В изучении данной темы видно, что тип полупроводниковых диодов, диода Ганна является действенным, актуальным и работающем в своей структуре

Библиографический список

1. Аваев Н. А., Шишкин Г. Г. Электронные приборы. Издательство МАИ, 1996.

2. Зи С. М. Физика полупроводниковых приборов (в 2 книгах). М., Мир, 1984, т.2, с. 226-269.

3. Лебедев А. И. Физика полупроводниковых приборов. М., Физматлит, 2008.

4. Кулешов В.Н., Удалов Н.Н., Богачев В.М. и др. Генерирование колебаний и формирование радиосигналов. М.: МЭИ, 2008. 416 с.

5. http://www.joyta.ru/7501-diod-ganna-princip-raboty-primenenie/.

Размещено на Allbest.ru