ДІОДИ ГАННА

Діод Ганна - напівпровідниковий прилад, принцип роботи якого заснований на використанні об'ємних властивостей напівпровідника. Цей діод не містить ні р -п-переходів, ні будь-яких інших кордонів розділу, крім омических контактів. Основне призначення діода Ганна - робота в підсилювачах і генераторах електромагнітних коливань СВЧ.

Діод Ганна зазвичай виконується з арсеніду галію я-типу у вигляді пластинки або шайби, в яку з двох протилежних сторін вплавляются омические контакти. Діод поміщається в герметичний керамічний корпус, фланці якого виконані з металу і служать висновками приладу. Конструкція діода Ганна розрахована на включення в коаксіальний або хвилеводний тракти.

Розглянемо фізичні процеси, що відбуваються в діод Ганна. В основі роботи діода лежать фізичні явища, пов'язані з виникненням керованого електричним полем негативного диференціального опору в напівпровідниках (СААВ, Сс1Те, 1пр, 1п8Ь і ін.), Зона провідності яких має два мінімуму енергії.

Діаграма енергетичних рівнів арсеніду галію показана на рис. 3.17, де для кристаллографической площині

<100> кристала ваАв приведена залежність енергії електронів Е в валентної зоні (ВЗ) і зоні провідності (ЗП) від хвильового числа до = р / Н (р - імпульс частинки, а Л = 6,6 х х 10 34 Дж • с - постійна Планка). Як видно, залежність Е = / (/ г) має в зоні провідності два мінімуму, які зазвичай називають долинами. Позначимо низьку (вузьку) долину цифрою 1, а верхню (широку) - цифрою 2. Енергетичний

Мал. 3.17

зазор А Е між долинами дорівнює 0,36 еВ. Як відомо, характер залежності Е = / "(Л) визначає величину ефективної маси частинки

Звідси випливає, що ефективна маса частинки т в нижній долині менше ефективної маси частки т у верхній долині. Для ОаАе ефективна маса т в 0,07т 00 - маса

спокою електрона), а маса т = 1,2 т 0 . Внаслідок відмінності ефективних мас істотно відрізняються і рухливості електронів в нижній і верхніх долинах: в долині 1 електрони мають високу рухливість (Р! = 0,8 м 2 / (В • с)), а в долині 2 - низьку (М 2 = 0 , 01м 2 / (В * с)).

Розглянемо поведінку електронів в зоні провідності кристала СААВ, поміщеного в електричне поле з напруженістю 7 '. Як відомо, щільність дрейфового струму визначається співвідношенням

де е - заряд, п - концентрація і р - рухливість електронів; 6 - напруженість електричного поля.

Якщо всі вільні електрони перебувають у нижній долині (п = Л,), то

і залежність у = / (е) має вигляд прямої 1 , показаної на рис. 3.18. Якби всі електрони перебували у верхній долині (п = п 2 ), то

і, внаслідок їх більш низької рухливості (| i 2 < Mi) "залежність j = = / (£) була б іншою (пряма 2 на рис. 3.18).

У реальних умовах при слабких електричних полях електрони перебувають в термодинамічній рівновазі з кристалічною решіткою напівпровідника і занима-

Мал. 3.18

ють в основному енергетичні рівні нижньої долини. Зі збільшенням напруженості нуля електрони, що знаходяться в нижній долині, набувають додаткову енергію, і коли їх енергія зросте на величину, рівну АЕ = 0,36 еВ, стає можливим перехід електронів у верхню долину. Назвемо значення напруженості електричного поля, при якому починається цей процес, критичної напруженістю електричного поля < ( кр . Для ваАв Г кр * 3 кВ / см. Енергія вільних електронів в кристалі розподілена відповідно до законів статистики. При деякому значенні напруженості електричного поля, званому пороговим { пірпір > 6 кр ), більшість електронів з першої долини переходять в другу, і подальше зростання поля Е не призводить до істотного збільшення кількості електронів у другій долині (за умови, що електричний пробій в кристалі відсутній).

Таким чином, можна вважати, що для електричних полів < '' <6 кр і пір щільність струму через напівпровідник описується відповідно формулами ( 3.10 ) і ( 3.11 ). При напряженностях електричного поля £ кр <£ <£ пір електрони перебувають як в нижній, так і верхніх долинах і щільність струму у в кристалі визначається як сума щільності струмів за рахунок дрейфу електронів в обох долинах:

де п = п } + п. г - концентрація електронів в зоні провідності, а середня рухливість електронів в обох долинах дається формулою

Характер залежності у = д <) в інтервалі зміни напруженості поля від £ кр до £ пір залежить від ряду умов і співвідношення величин, що входять в формулу (3.12). У певних умовах залежність у = / (О може мати вигляд, що описується кривою 3 на рис. 3.18. При цьому кристал арсеніду галію в деякому інтервалі енергій характеризується негативним диференціальним опором, так як на цій ділянці зі збільшенням напруженості поля "щільність струму у зменшується. В інших умовах залежність у = дО може не мати області з негативним диференціальним опором (крива 4 на рис. 3.18). Умови виникнення області з негативним

диференціальним опором можна встановити, диференціюючи співвідношення (3.12) по £ і вважаючи дЦд1 < 0.

Аналіз отриманого таким чином вираження дозволяє сформулювати наступні умови отримання залежності у = = / (£) з областю негативного диференціального опору:

  • 1) різниця Д Е між мінімальними значеннями енергії в першій і в другій долині повинна бути більше енергії теплового руху носіїв, щоб під час відсутності зовнішнього електричного поля більшість носіїв знаходилося в нижній долині зони провідності;
  • 2) величина інтервалу Д Е повинна бути менше ширини забороненої зони ДЕ 3 , так як при невиконанні цієї умови станеться електричний пробій до того, як носії почнуть переходити в верхню долину;
  • 3) рухливість електронів у верхній долині повинна бути значно меншою їх рухливості в нижній долині.

У напівпровіднику, що володіє ВАХ у = ДО з областю негативного диференціального опору, довільна флуктуація щільності струму в будь-якій точці кристала приводить до виникнення нестабільності об'ємного заряду.

Розглянемо фізичні процеси виникнення і ^ розвитку такої нестійкості об'ємного заряду. На рис. 3.19, а показаний кристал арсеніду галію довжиною /, до якого підключений джерело зовнішньої напруги і.

Припустимо, що концентрація вільних електронів у всьому об'ємі кристала однакова і всі електрони перебувають у нижній долині. Тоді розподіл потенціалу по довжині кристала лінійно (пряма 1 на рис. 3.19, 0), а напруженість поля = ді / д1

Мал. 3.19

незмінна (пряма 1 на рис. 3.19, в). Якщо величина напруги і така, що напруженість поля в кристалі £ <£ ' кр , то щільність струму, поточного в напівпровіднику, обумовлена дрейфом електронів з рухливістю р 1 і визначається співвідношенням (3.10).

Припустимо далі, що в кристалі є неоднорідність у вигляді області А / = (I зі зниженою концентрацією вільних електронів і, отже, з більш високим питомим опором. Падіння потенціалу в цій галузі має зрости, і розподіл потенціалу вздовж кристала в цьому випадку буде характеризуватися ламаної лінією (лінія 2 на рис. 3.19, б). на ділянці а / = с / напруженість поля збільшиться до £ 2 * а за його межами зменшиться до значення £ 2 (див. рис. 3.19, в).

Якщо напруженість поля 6 ' 2 ' в області А / перевищить величину £ 9 то в цій області почнеться перехід електронів з нижньої долини у верхню. Збільшення числа електронів з меншою рухливістю (р,> р 2 ) призводить до збільшення електричного опору цієї ділянки, а значить, до подальшого зміни розподілу потенціалу, зростанню напруженості поля до значення £ ' 3 на ділянці А / (ламана лінія 3 на рис. 3.19 , б). Інакше кажучи, на ділянці А / формуватиметься область з більш високою напруженістю поля або, як кажуть, домен сильного поля. З виникненням домену високого поля напруженість поля за його межами повинна знизитися до значення < ' 3 , так як з появою ділянки з більш високим опором зросте загальний опір кристала і зменшиться щільність струму. Отже, в області, де виникає домен, електрони перебувають переважно у верхній долині і мають низьку рухливістю р 2 , а в іншому обсязі кристала електрони перебувають у нижній долині і характеризуються більш високою рухливістю р,> р 2 . І в тій, і в іншій області під впливом прикладеної різниці потенціалів виникає дрейфовий рух електронів. Електрони прикатодной області, наближаючись до домену, зменшують швидкість дрейфу і утворюють в частині домену, зверненої до катода, більш щільний негативний об'ємний заряд. У той же час електрони між доменом і анодом характеризуються більш високою дрейфовой швидкістю. Тому в частині домену, зверненої до анода, утворюється область, збіднена електронами. Таким чином, з розвитком домену високого поля в цій області формується подвійний електричний шар (рис. 3.19, г).

Процес формування домену буде розвиватися до тих пір, поки не встановиться деякий динамічна рівновага, яке визначається законом збереження заряду, згідно з яким щільність струму в нерозгалужене електричного кола повинна бути однаковою в будь-якому перетині. Умова сталості щільності струму може виконуватися при різних значеннях напруженості поля в домені < ' будинок > кр і в областях кристала поза домену < 1 3 (див. Позначення на рис. 3.19, в) і визначається так званим правилом рівних площ S, = S 2 (рис. 3.20). Положення прямої у - const на характеристиці у = fif) визначається величиною прикладеної напруги підключеного до кристалу. Штрихова крива на рис. 3.20 починається в точці максимуму N залежності у = ДО і закінчується при £ = £ м . Ця крива NM обмежує область значень у і £, де виконується правило рівних площ.

Таким чином, в умовах динамічної рівноваги закінчується формування домену високого поля; щільність струму в кристалі незмінна (у = const) і дрейфова швидкість ^ ін. будинок електронів в області домену і за його межами і д]) г дорівнюють один одному:

Отже, умова у = const виконується, коли усереднена за всіма значеннями ( 'дрейфова швидкість електронів в домені дорівнює дрейфовой швидкості поза домену і, отже, існують умови формування домену. Домен високого поля зі швидкістю у ін будинок переміщується у напрямку до анода. На аноді область підвищеної щільності об'ємного заряду розформовується і домен високого поля зникає. У міру зникнення домену електричний опір кристала зменшується, щільність струму зростає і на неоднорідності А I = d знову починається ін процес формування домену.

В даному випадку новий домен може виникнути лише після розформування існуючого домену, так як до цього моменту напруженість поля £ 3 поза домену нижче пер-

Мал. 3.20

воначально величини < ', і тим більше нижче критичної позначки (б'з <6' кр ). Інакше кажучи, в кристалі може виникнути і існувати лише єдиний домен. Новий домен зароджується лише після деякого інтервалу часу t ap , необхідного для переміщення попереднього домену від місця його формування до анода:

де 1 г - відстань від місця виникнення домена до анода (див. рис. 3.19, а).

Отже, домени високого поля виникають і зникають в кристалі періодично з інтервалом часу * пр і, що особливо важливо, також періодично і з тим же інтервалом * пр змінюється щільність струму, поточного через кристал. Н рис. 3.21, е показана форма струму, поточного через кристал, а на рис. 3.21, б, в, г, д - епюри розподілу поля в кристалі в різні моменти часу, відмічені на рис. 3.21, е відповідними буквами.

Якщо в ланцюг діодів включити коливальний контур, настроєний на частоту

то такий пристрій може служити генератором незатухаючих коливань.

Умови формування домену високого поля в кристалі не обмежуються наявністю ВАХ з областю негативного диференціального опору. Важливу роль відіграють і інші чинники: геометричні розміри кристала, концентрація носіїв заряду і ін.

Для стабільності періодичного процесу зародження домену високого поля в певній галузі кристала необхідно забезпечити однорідність кристала напівпровідника

Мал. 3.21

у всьому обсязі, за винятком єдиної, локальної області неоднорідності. В якості такої неоднорідності можуть служити різні дефекти кристалічної структури, в тому числі і незначне відхилення концентрації домішки в області неоднорідності. Експериментальні дослідження показують, що в арсеніді галію домен повинен стабільно зароджуватися на неоднорідності, утвореної зміною концентрації домішок в 0,01% на ділянці довжиною близько 1 мкм. Зазвичай такого роду неоднорідність утворюється в прикатодной області кристала при його виготовленні.

Умова існування однієї неоднорідності вдається виконати лише для невеликих кристалів (/ <0,1 мм). У більш довгих кристалах утворюється кілька неоднорідностей, на яких домени зароджуються випадковим чином. Коливання струму в такому кристалі носить не періодичний, а випадковий характер. З іншого боку, технологічні труднощі обмежують можливості створення кристалів довжиною I << 1 мкм. У арсеніді галію при температурі 300 К і напруженості поля в ~ 10кВ / см дрейфова швидкість домену У ін . будинок * ~ 10 7 см / с. Вважаючи / " 1 19 на підставі (3.21) легко оцінити можливі частотні межі використання діодів Ганна як активних елементів в генераторах незатухаючих коливань. При 1 Х = 0,1 мм частота / н = 1 ГГц, а при /, = 1 мкм частота f ь "= 100 ГГц. Важливу роль у формуванні домену грає концентрація п вільних носіїв заряду, яка визначає швидкість процесу накопичення зарядів. *? в області високого поля. Цей процес протікає в часі г за експоненціальним законом

де т р - максвелловское час релаксації - визначається співвідношенням

Тут р - середня рухливість електронів, що визначається виразом (3.13); е - діелектрична проникність кристалічної решітки напівпровідника; е 0 - діелектрична постійна. Щоб процес формування домену завершився по крайней ^ ере за час проходження домена по кристалу (£ рр = будинок) "показник ступеня в експоненті у формулі

(3.22) повинен бути більшим за одиницю. З урахуванням (3.23) і вирази для £ = £ пр ця умова запишеться у вигляді

Таким чином, умова остаточного формування домену в арсеніді галію можна записати у вигляді

Звідси, зокрема, випливає, що при зменшенні 1 19 т. Е., Як видно з формули (3.21), при використанні діода Ганна на більш високих частотах слід застосовувати матеріали з більшою концентрацією домішок.

Якщо умова (3.26) не виконується, то в кристалі не виникає домену високого поля, так як на неоднорідності формується не диполь - сукупність областей з підвищеною концентрацією зарядів протилежних знаків (див. Рис. 3.19, г), а шар підвищеної концентрації зарядів одного знака . Періодично виникаючи, переміщаючись по кристалу і зникаючи на аноді, подібно доменів, такі шари створюють наростаючі за амплітудою уздовж кристала хвилі об'ємного заряду. У цих умовах діод Ганна може бути використаний як підсилювач сигналів з частотою л / пр , де п = 1, 2, 3 ....

Робота діода Ганна в ланцюзі з коливальним контуром. Така ланцюг, показана на рис. 3.22, а, містить крім джерела постійної напруги Г / 0 , шунтуватися ємністю С, коливальний контур з параметрами Ь 0 , С 0 . Резонансна частота контура 0) () = {) З 0 ) 1/2 може дорівнювати пролітної частоті о) тощо = 27г / або ж трохи вище цієї частоти.

За рахунок батареї 1 / {) в кристалі створюється постійне електричне поле, величина якого = і про / 1 г визначає робочу точку "а" в області характеристики з негативним диференціальним опором (рис. 3.22, б). У режимі стаціонарних коливань змінна напруга, що розвивається на коле

Мал. 3.22

бательном контурі, підсумовується з напругою t / 0 , і в кристалі створюється змінне електричне поле 2 = t 1 + t> m sin (Про 0 t. Відповідно до миттєвим значенням робоча точка переміщається за влучним висловом між точками b і с. З рис. 3.22, б видно, що протягом деякого інтервалу часу напруженість поля 2 може бути менше критичного значення ( ' кр . у ці інтервали часу домен високого поля, якщо він сформувався, може зруйнуватися, не досягнувши анода. якщо ж до початку періоду формування нового домену ще не настав, то його освітньої ие почнеться лише після закінчення періоду Д £, т. е. з деякою затримкою по відношенню до моменту зникнення колишнього домену. І, нарешті, до початку періоду процес формування нового домену може виявитися незавершеним: в цьому випадку в кристалі формується не домен високого поля в вигляді подвійного шару електричних зарядів різних знаків, а область більш щільного негативного об'ємного заряду, який і переміщається по кристалу у напрямку до анода.

У будь-якому з цих випадків коливання в контурі не припиняються; може змінитися лише частота коливань або їх форма. Перший випадок називають режимом з придушенням домену, другий випадок - режимом з затримкою домену, а третій - режимом обмеження накопичення об'ємного заряду (ОНОЗ). Таким чином, крім прогонової режиму, розглянутого нами раніше, генератор на діоді Ганна може працювати і в інших режимах. Наступ того чи іншого режиму залежить від швидкості формування або розсмоктування домену, швидкості його переміщення по кристалу (або від довжини кристала I при і ін будинок = const), а також величини інтервалу At , однозначно визначається власною частотою контура зі 0 . Тому важливим параметром, що визначає умови існування того чи іншого режиму, служить величина / 0 /, де / 0 = (про 0 /2 к.

Відзначимо основні особливості різних режимів.

У прогонових режимі контур налаштовується на частоту / 0 = / ін . Оскільки в GaAsPgp будинок "10 7 см / с, для прогонової режиму твір f {) l ~ 10 7 см / с. Значення nl для прогонової режиму лежать в межах (1 ... 3) 10 12 см 2 . Максимальна величина ККД не перевищує 10%.

У режимі з придушенням домену коливальний контур налаштовується на частоту вище пролітної f Q l> 2 • 10 7 см / с. Найвище значення частоти коливань обмежується часом руйнування домену і для арсеніду галію визначається умовою n / f Q >> 2 • 10 5 см -3 • с. Теоретичне значення ККД не перевищує 13%.

Режим з затримкою домену спостерігається за умови, коли напруженість <* 2 сумарного поля знижується до величини менше £ кр в той момент, коли домен зникає на аноді. Цей режим спостерігається за умови f 0 l <10 7 см / с. Теоретичне значення ККД не перевищує 27%.

Режим з обмеженим накопиченням об'ємного заряду (ОНОЗ) найбільш часто використовується в генераторах на діодах Ганна. В цьому режимі коливальний контур налаштовується на частоту / о> / ін . Режим ОНОЗ визначається умовою 2 • 10 5 см 3 • з

n / f > 2 • 10 4 см ~ 3 • с (тут концентрація п записується в см -3 , частота - в Гц).

 
< Попер   ЗМІСТ   Наст >