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, ЭФФЕКТ 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 СТРУКТУРЕ 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.

МЕЖД О ЛИННЫЙ ПЕРЕХОД ЭЛЕКТ РОНОВ В АРС ЕНИД Е ГАЛЛИЯ

EenenJ 1Ä1 .

EenenJ 1Д1

ВОЛЬТ‑АМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА:

СТАТИЧЕСКАЯ ВАХ АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ

)()( Д02211 EenEnneJ

k

k

F

BFE

nn

Enn

nne

Enne

en

JE

1

)1()(

)(

)()( 1

21

2211

21

2211

0Д

e

21

2/3

1

2

1

2

1Д

exp1

)(

kT

E

m

m

M

M

EE

e

21

2/3

1

2

1

2

21e

e

exp1

)3/(2)(

kT

E

m

m

M

M

kEeTET

ЗАРЯДОВЫЕ НЕУСТОЙЧИВОСТИ В ПРИБОРАХ С  ОДС

)exp()0()(Mt

ntn

0

0rM en

ВАХ ДИОДА ГАННА

ПРОЛЕТНЫЙ РЕЖИМ

По определению - режим работы диода Ганна на

эффекте междолинного перехода электронов, при

котором выполняется неравенство см-212

0 10Wn

З А В И С И М О С Т Ь Т О К А О Т В Р Е М Е Н И П Р И Р А Б О Т Е Д И О Д А Г А Н Н А В П Р О Л Е Т Н О М Р Е Ж И М Е

РЕЖИМ РАБОТЫ Д ИОД А С ПОД АВЛЕНИЕМ Д ОМЕНА

Условие реализации данного режима:

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.

aef

n

1

0r0

РЕЖИМ О ГРАНИЧЕННОГО НАКО ПЛЕНИЯ О БЪЕМНОГО ЗАРЯД А

Условие:

Для GaAs и InP   с/см3

ef

n

e0r0

1

0r

504 1010 f

n

ГЕНЕРАЦИЯ СВЧ‑КОЛЕБАНИЙ В ДИОДАХ ГАННА

Связь между генерируемой мощностью и

частотой можно представить в виде:

Мощность генерируемых СВЧ-колебаний

зависит от полного сопротивления z или от

площади рабочей части высокоомного слоя

полупроводника.

22

22222 1

~fzf

EzlEzUP

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: