Диоды ганна общие сведения диод ганна. Диод ганна

Использующийся для генерации и преобразования колебаний в диапазоне СВЧ на частотах от 0,1 до 100 ГГц. В отличие от других типов диодов, принцип действия диода Ганна основан не на свойствах p-n-переходов , т.е. все его свойства определяются не эффектами, которые возникают в местах соединения двух различных полупроводников, а собственными свойствами применяемого полупроводникового материала.

В отечественной литературе диоды Ганна называли приборами с объемной неустойчивостью или с междолинным переносом электронов, так как активные свойства диодов обусловлены переходом электронов из "центральной" энергетической долины в "боковую", где они уже могут характеризоваться малой подвижностью и большой эффективной массой. В иностранной же литературе диоду Ганна соответствует термин ТЭД (Transferred Electron Device).

На основе эффекта Ганна созданы генераторные и усилительные диоды, применяемые в качестве генераторов накачки в параметрических усилителях, гетеродинов в супергетеродинных приемниках, генераторов в маломощных передатчиках и в измерительной технике.

При создании низкоомных омических контактов, необходимых для работы диодов Ганна, существуют два подхода.

• Первый из них заключается в поисках приемлемой технологии нанесения таких контактов непосредственно на высокоомный арсенид галлия.
• Второй подход заключается в изготовлении многослойной конструкции генератора. В диодах такой структуры на слой сравнительно высокоомного арсенида галлия, служащего рабочей частью генератора, наращивают с двух сторон эпитаксиальные слои относительно низкоомного арсенида галлия с электропроводностью n-типа. Эти высоколегированные слои служат переходными прослойками от рабочей части прибора к металлическим электродам.

Диод Ганна традиционно состоит из слоя арсенида галлия с омическими контактами с обеих сторон. Активная часть диода Ганна обычно имеет длину порядка l = 1-100 мкм и концентрацию легирующих донорных примесей n = 10 14 − 10 16 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.

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 он 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 не достаточным условием для возникновения в нём СВЧ колебаний, но необходимым. Наличие колебаний означает, что в пространстве кристалла полупроводника возникает неустойчивость волновых возмущений. Но такая неустойчивость зависит от параметров полупроводника (профиля легирования, 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 200-300мВт.

Диод Ганна может быть использован для создания генератора в 10 ГГц и выше (ТГц) диапазона частот. А резонатор, который может принимать форму волновода, добавляют для контроля частоты.Частота генераторов на диоде Ганна определяется в основном резонансной частотой колебательной системы с учетом емкостной проводимости диода и может перестраиваться в широких пределах механическими 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 кристалла из-за выделяющейся в нем мощности.

Диоды Ганна, работающие в различных режимах, используются в диапазоне частот 1-100 ГГц. В непрерывном режиме реальные генераторы на диодах Ганна имеют КПД порядка 2-4% и могут обеспечить выходную мощность от единиц мВт до единиц Вт. Но при переходе в импульсный режим КПД увеличивается в 2-3 раза. Специальные резонансные системы, позволяющие добавить к мощности полезного выходного сигнала некоторые высшие гармоники, служат для увеличения КПД и такой режим называется релаксационным.

Существуют несколько разных режимов, в одном из которых генератор на диоде Ганна может совершать работу, в зависимости от питающего напряжения, температуры, свойства нагрузки: доменный режим, гибридный режим, режим ограниченного накопления объемного заряда и режим отрицательной проводимости.

Наиболее часто используемым режимом является доменный режим, для которого в течение значительной части периода колебаний, характерен режим существования дипольного домена. Доменный режим может иметь три различных вида: пролетный, с задержкой образования доменов и с гашением доменов, которые получаются при изменении сопротивления нагрузки.

Для диодов Ганна был так же придуман и осуществлен режим ограничения и накопления объемного заряда. Его существование имеет место, при больших амплитудах напряжения на частотах, в несколько раз больше пролетной частоты и при постоянных напряжениях на диоде, которые в несколько раз превышают пороговое значение. Однако существуют требования для реализации к данному режиму: нужны диоды с очень однородным профилем легирования.Однородное распределение электрического поля и концентрации электронов по длине образца обеспечивается за счет большой скорости изменения напряжения на диоде.

Наряду с арсенидом галлия и фосфидом индия InP (до 170 ГГц) методом эпитаксиального наращивания, для изготовления диодов Ганна также используетсяи нитрид галлия (GaN) на котором и была достигнута наиболее высокая частота колебаний в диодах Ганна - 3 ТГц. Диод Ганна имеет низкий уровень амплитудных шумов и низкое рабочее напряжение питания (от единиц до десятков В).

Эксплуатация диодов происходит в резонансных камерах представляющие собой в виде микросхем на диэлектрических подложках с резонирующими емкостными и индуктивными элементами, либо в виде комбинации резонаторов с микросхемами.

Энциклопедичный YouTube

• 1 / 5

  Просмотров:

8.1. Общие сведения

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.

Эффект Ганна обнаружен американским физиком Дж. Ганном (J. Gunn) в 1963 г. в кристалле арсенида галлия (GaAs) с электронной проводимостью. Ганн обнаружил, что при приложении электрического поля E (E пор ≥ 2 3 кВ/см) к однородным образцам из арсенида галлия n типа в образце возникают спонтанные колебания тока. Позднее он установил, что при E > E пор в образце, обычно у катода, возникает небольшой участок сильного поля – «домен», дрейфующий от катода к аноду со скоростью ~10 7 см/сек и исчезающий на аноде. Затем у катода формируется новый домен, и процесс периодически повторяется. Моменту возникновения домена соответствует падение тока, текущего через образец. Моменту исчезновения домена у анода – восстановление прежней величины тока. Период колебаний тока приблизительно равен пролетному времени, т.е. времени, за которое домен дрейфует от катода к аноду.

8.2. 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, чтобы при отсутствии приложенного внешнего электрического поля бόльшая часть электронов находилась в нижней долине зоны проводимости;
• 
  эффективные массы и подвижности электронов в нижней и верхних долинах должны быть различны. Электроны нижней долины должны иметь высокую подвижность μ 1 , малую эффективную массу m 1 * и низкую плотность состояний. В верхних побочных долинах электроны должны иметь низкую подвижность μ 2 , большую эффективную массу m 2 * и высокую плотность состояний;
• 
  энергетический зазор между долинами должен быть меньше, чем ширина запрещенной зоны полупроводника, чтобы лавинный пробой не наступал до перехода электронов в верхние долины.

Из изученных и применяемых полупроводниковых материалов перечисленным требованиям наиболее соответствует арсенид галлия n типа.

Рассмотрим междолинный переход электронов в арсениде галлия. Приложим к однородному образцу из арсенида галлия электрическое поле. Если напряженность поля в образце мала, то все электроны находятся в нижней долине зоны проводимости (в центре зоны Бриллюэна). Поскольку средняя тепловая энергия электронов значительно меньше энергетического зазора между дном верхней и нижней долин зоны проводимости, они не переходят в верхнюю долину (рис. 8.1).

Рис. 8.1. Схематическая диаграмма, показывающая энергию электрона в зависимости от волнового числа в области минимумов зоны проводимости арсенида галлия n типа

Электроны нижней долины имеют малую эффективную массу m 1 * и высокую подвижность μ 1 . Плотность тока, протекающего через образец, определяется концентрацией электронов в нижней долине n 1 (n 1 = n 0 , где n 0 – равновесная концентрация электронов в полупроводнике):

. (8.1)

Увеличим приложенное электрическое поле. С ростом поля возрастает скорость дрейфа электронов. На длине свободного пробега l электроны приобретают энергию eEl , отдавая при столкновениях с фононами кристаллической решетки меньшую энергию. Когда напряженность поля достигает порогового значения E П, появляются электроны, способные переходить в верхнюю долину зоны проводимости.

Дальнейшее увеличение поля приводит к росту концентрации электронов в верхней долине. Переход из нижней долины в верхнюю сопровождается значительным ростом эффективной массы и уменьшением подвижности, что ведет к уменьшению скорости дрейфа. При этом на вольт амперной характеристике образца появляется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением (ОДС) (рис. 8.2).

Рис. 8.2. N образная вольт амперная характеристика: E – электрическое поле, создаваемое приложенной разностью потенциалов; J – плотность тока

Для возникновения отрицательного дифференциального сопротивления необходим одновременный переход большинства электронов из центральной долины в боковую при пороговой напряженности электрического поля (рис. 8.3). Но получить статическую ВАХ, соответствующую сплошной кривой, не удается, так как в кристалле или около невыпрямляющих контактов всегда есть неоднородности, в результате чего возникают локальные напряженности электрического поля, превышающие среднюю напряженность. Превращение в этих местах «легких» электронов в «тяжелые» еще больше увеличивает неоднородность электрического поля. Поэтому практически не получается одновременного перехода большинства электронов в кристалле из центральной долины в боковую и статическая ВАХ остается без участка с ОДС.

Рис. 8.3. Распределение электронов при различных значениях напряженности поля

8.3. Статическая ВАХ арсенида галлия

Продифференцировав уравнение по напряженности электрического поля, получим:

. (8.2)

Тогда условие существования отрицательной дифференциальной проводимости можно записать в виде:

. (8.3)

Предположим, что распределение электронов между долинами выражается следующим образом:

, (8.4)

где k – константа; – напряженность поля, при которой

.

Обозначим также отношение подвижностей в нижнем и верхнем минимумах как константу:

. (8.5)

Предположим, что подвижности μ 1 и μ 2 не зависят от поля и что локальное распределение электронов между минимумами мгновенно следует за изменениями поля как во времени, так и в пространстве. В арсениде галлия, в котором междолинные переходы электронов определяются процессами рассеяния на оптических фононах, эффективное время рассеяния имеет величину 10 -12 сек. Следовательно, для рабочих частот примерно 10 ГГц или ниже междолинные переходы можно считать мгновенными .

Для концентрации n 1 и n 2 можно записать:

; (8.6)

,

где

.

Средняя скорость при данной напряженности поля равна:

На рисунке 8.4 приведена зависимость дрейфовой скорости в зависимости от напряженности электрического поля, рассчитанная по соотношению (8.7) для арсенида галлия.

Рис. 8.4. Зависимость скорости дрейфа от напряженности поля для GaAs

Пороговая напряженность поля E П, при которой начинается участок ОДС, по экспериментальным данным равна ~3,2 кВ/см. Значение подвижности при низких полях равно ~8000 см 2 /В·с, начальное значение дифференциальной отрицательной подвижности ~2400 см 2 /В·с. Напряженность поля, при которой кончается участок ОДС, приблизительно равна 20 кВ/см.
Электронные температуры (T e) в обеих долинах будем считать одинаковыми. Тогда, пользуясь статистикой Максвелла – Больцмана, запишем:

, (8.8)

где m 1 * , m 2 * – эффективные массы в долинах, n 1 , n 2 – концентрации электронов в долинах, M 2 – число верхних долин, M 1 – число нижних долин.

{GaAs: M 1 = 1, M 2 = 4, m 1 * = 0,067m 0 , m 2 * = 0,55m 0 ,

}.

Теперь имеем:

; (8.9)

. (8.10)
Получим выражение для электронной температуры. Воспользуемся условием баланса энергии, приобретаемой электронами в электрическом поле в единицу времени и теряемой в это же время за счет столкновений с фононами :

τ e – время релаксации энергии (~10 -12 с).

. (8.12)

На рисунке 8.5 приведена расчетная зависимость дрейфовой скорости электронов в GaAs при различных температурах, иллюстрирующая влияние температурной зависимости подвижности в обоих минимумах.

Рис. 8.5. Зависимость дрейфовой скорости электронов в GaAs от E при T , K :

1 – 200, 2 – 300, 3 – 350. Кривая 4 – заселенность верхней долины при 300 К

8.4. Зарядовые неустойчивости в приборах с отрицательным дифференциальным сопротивлением

Возникшая избыточная концентрация электронов должна изменяться во времени в соответствии с соотношением:

, (8.13)

представляющим собой закон релаксации основных носителей заряда в полупроводнике.

Если бы в возникшем дипольном домене напряженность электрического поля была меньше E П, то время релаксации Максвелла было бы равно:

. (8.14)

Рис. 8.6. Распределение объемного заряда и напряженности поля в образце при формировании домена сильного поля

На самом деле в области возникшего объемного заряда напряженность поля увеличится и станет больше E П. Следовательно, в выражении для τ М положительную удельную проводимость нужно заменить на удельную отрицательную дифференциальную проводимость

, где – отрицательная дифференциальная подвижность, соответствующая участку вольт-амперной характеристики с отрицательной дифференциальной проводимостью. Таким образом,

. (8.15)

Из формул для Δn (t ) и τ М следует, что в образце с отрицательной дифференциальной проводимостью первоначальная тепловая флуктуация концентрации электронов должна не убывать с ростом t , а увеличиваться, так как

.

Этот факт объясняется следующими обстоятельствами. В области дипольного объемного заряда напряженность электрического поля возрастет и станет больше порогового значения, а в остальной части образца E слегка уменьшится и станет меньше E П, так как напряжение, подаваемое на образец, поддерживается постоянным. В результате этого дрейфовая скорость электронов и плотность тока в области существования объемного заряда уменьшатся, а в остальной части образца изменятся незначительно. Это приведет к дальнейшему увеличению концентрации электронов в левой части объемного заряда (за счет их подтока от катода) и концентрации нескомпенсированных доноров в правой части за счет ухода быстрых электронов от правой границы к аноду. Этот процесс прекратится и дипольный слой достигнет стабильной конфигурации, когда плотность тока внутри и вне его станет одинаковой и будет соответствовать точкам вольт амперной характеристики, лежащим вне участка отрицательной дифференциальной проводимости (например, точкам E = E В и E = E Д) (рис. 8.7).

Рис. 8.7. ВАХ диода Ганна

Спад силы тока в цепи при формировании домена сильного поля обусловлен резким уменьшением подвижности электронов в нем и, следовательно, увеличением сопротивления образца. Наиболее стабильное состояние домена соответствует минимальной мощности, потребляемой образцом от источника питания, т.е. когда плотность тока в образце имеет наименьшее возможное значение – J min . Тогда максимальная напряженность поля внутри домена сильного поля будет равняться E Д, а вне его – E В. Ширину или толщину домена (d Д.М.) можно оценить исходя из того, что падение напряжения на образце до и после образования домена одно и то же, т.е.

где исходная напряженность поля E И = E П,

W – длина образца.

. (8.17)

Распределение напряженности электрического поля в домене зависит от концентрации электронов в данном образце. При больших n 0 максимум E располагается в центре домена и зависимость E от x имеет симметричный вид. Если n 0 мало, то кривая

принимает форму, близкую к прямоугольному треугольнику.

В процессе формирования и после его окончания дипольный домен дрейфует от катода к аноду. Если предположить, что домен возникает у катода за счет неоднородности в распределении примеси, то за время пролета

, (8.18)

где – средняя скорость дрейфа домена, домен достигнет анода и исчезнет. После этого в образце восстановится однородное распределение поля и первоначальное (до формирования домена) значение тока. Затем за счет тепловой флуктуации у катода начнет формироваться следующий домен и т.д. Периодически повторяющиеся процессы формирования домена у катода и рассасывания его у анода приведут к соответствующему изменению сопротивления образца и силы тока.

Для того, чтобы первоначальная тепловая флуктуация концентрации электронов заметно возросла, необходим интервал времени, превосходящий τ М. Следовательно, периодическое изменение силы тока через образец будет возникать лишь в том случае, когда

или

. (8.19)

Это неравенство называют критерием Кремера .

Для арсенида галлия и фосфида индия

см -2 .

Режим работы диода Ганна на эффекте междолинного перехода электронов, при котором выполняется неравенство

см -2 , (8.20)

называется пролетным режимом. Для его реализации необходимо включить диод в параллельную резонансную цепь, например, в СВЧ генератор с высокой добротностью, настроенный на пролетную частоту (

). В пролетном режиме на кривой зависимости тока от времени будут наблюдаться резкие всплески, если длина образца значительно превышает ширину домена (рис. 8.8). Для получения формы колебаний тока, близкой к синусоидальной, необходимо уменьшать длину образца или увеличивать ширину домена. Ширину домена можно увеличить, уменьшая концентрацию электронов (n 0) в образце.

Рис. 8.8. Зависимость тока от времени при работе диода Ганна в пролетном режиме

При работе диода в резонаторе к нему кроме постоянного внешнего смещения оказывается приложенным также СВЧ поле, возникающее в резонаторе за счет колебаний тока, протекающего через диод. Предположим, что СВЧ поле меняется во времени по гармоническому закону, а резонатор настроен на частоту выше пролетной (

). Тогда при достаточно большой амплитуде СВЧ-поля дипольный домен в образце может рассосаться, не доходя до анода. Для этого необходимо, чтобы в полупериод, когда векторы напряженности постоянного и СВЧ-поля противоположны, суммарная напряженность поля была бы меньше E П, а длительность полупериода была бы больше τ М, соответствующего положительной подвижности. С точностью до численного коэффициента последнее условие можно записать так:

, или

. (8.21)

Для GaAs и InP

с/см 3 . Полученное неравенство является условием реализации режима работы диода с подавлением домена. В этом режиме в каждый «положительный» полупериод СВЧ поля в диоде E > E П и у катода зарождается домен, а в каждый «отрицательный» полупериод он рассасывается на пути к аноду. Таким образом, генерация переменного тока в этом случае происходит на частоте, определяемой параметрами резонансной цепи.

Если обеспечить одновременное выполнение двух неравенств:

, (8.22)

то диод Ганна будет работать в режиме ограниченного накопления объемного заряда (ОНОЗ). Для GaAs и InP

с/см 3 . Поскольку в полученном неравенстве период СВЧ сигнала меньше τ М, соответствующего отрицательной дифференциальной подвижности, то в полупериод, когда E > E П, домен сильного поля не успевает полностью сформироваться, а в следующий полупериод (E E П) он полностью рассасывается. При этом будет наблюдаться возрастание сопротивления образца в один полупериод СВЧ сигнала и спад его в другой, что вызывает эффективную генерацию мощности на частоте, определяемой параметрами внешней цепи.

8.5. Генерация СВЧ колебаний в диодах Ганна

Выходная непрерывная мощность генераторов Ганна в пролетном режиме обычно составляет десятки – сотни милливатт, а при импульсной работе достигает сотен ватт.

Рабочая частота в пролетном режиме обратно пропорциональна длине или толщине высокоомной части кристалла (

). Связь между генерируемой мощностью и частотой можно представить в виде:

. (8.23)

Мощность генерируемых СВЧ-колебаний зависит от полного сопротивления z или от площади рабочей части высокоомного слоя полупроводника. Приведенное соотношение указывает на то, что ожидаемое изменение мощности с частотой пропорционально

.

Верхний предел рабочей частоты диодов Ганна составляет сотни гигагерц (рис. 8.10). Генераторы Ганна из арсенида галлия могут генерировать СВЧ-колебания от 1 до 50 ГГц. Несколько бóльшие частоты получены на генераторах Ганна из фосфида индия в связи с бóльшими значениями максимальных скоростей электронов, но качество приборов из этого материала значительно ниже из-за недостаточной отработки технологии изготовления материала. Преимущество фосфида индия перед арсенидом галлия – большее значение пороговой напряженности электрического поля (10,5 и 3,2 кВ/см соответственно). Это должно позволить создать генератор Ганна с бóльшей выходной мощностью. Для создания бóльших частот генерируемых колебаний представляют интерес тройные соединения GaInSb, так как в них велики дрейфовые скорости электронов.

Рис. 8.10. Примеры характеристик диодов Ганна

Эффект Ганна наблюдается, помимо GaAs и InP, в электронных полупроводниках CdTe, ZnS, InSb, InAs и др., а также в Ge с дырочной проводимостью.

Коэффициент полезного действия генераторов Ганна может быть различным (от 1 до 30 %), так как технологии изготовления приборов и качество исходного полупроводникового материала существенно различаются.

В связи с возможным наличием в кристалле генератора Ганна нескольких неоднородностей зарождение домена может происходить в различные моменты времени на разном расстоянии от анода. Поэтому частота колебаний будет изменяться, т.е. могут возникать частотные шумы. Кроме частотных шумов в генераторах Ганна существуют амплитудные шумы, основной причиной появления которых являются флуктуации в скоростях движения электронов. Обычно амплитудные шумы в генераторах Ганна малы, так как дрейфовая скорость в сильных электрических полях, существующих в этих приборах, насыщена и слабо изменяется при изменении электрического поля.

Важным для практического применения генераторов Ганна является вопрос о возможности их частотной перестройки в достаточно широком диапазоне. Из принципа действия генератора Ганна ясно, что частота его должна слабо зависеть от приложенного напряжения. С увеличением приложенного напряжения несколько возрастает толщина домена, а скорость его движения изменяется незначительно. В результате при изменении напряжения от порогового до пробивного частота колебаний увеличивается всего на десятые доли процента.

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.

Генератор на диоде Ганна с междолинным переносом электронов или основан на эффекте Ганна: при приложении к образцу проводника постоянного напряжения больше некоторого порогового значения в цепи источник питания – диод – нагрузка возникают импульсы тока.

Диод Ганна является двухполюсным полупроводниковым прибором, обладающим динамическим отрицательным сопротивлением в СВЧ-диапазоне, что позволяет использовать его для генерации и усиления электрических колебаний в СВЧ диапазоне. В отличие от всех прочих полупроводниковых приборов, называемых диодами, диод Ганна имеет однородную полупроводниковую структуру без p-n перехода с невыпрямляющими контактами выводов. Его ВАХ, снятая на постоянном токе, подобна характеристикам обычного резистора. Появление отрицательного сопротивления на определённых частотах обусловлено объёмными явлениями, возникающими при высокой напряжённости электрического поля в некоторых полупроводниковых материалах.

Объяснение эффекта Ганна дает квантовая теория. Используются следующие положения:

Все микрочастицы вещества (электроны, ионы, атомы) занимают строго определенные энергетические уровни, при переходе с уровня на уровень эти частицы поглощают или излучают энергию в виде квантов;

Электроны обладают волновыми свойствами, т.е. имеют длину волны

где h – постоянная Планка;

m * - масса движущегося электрона;

V – скорость движения электрона.

Свойства электрона могут быть разными, в зависимости от энергии уровня на котором он находится: m * - эффектная масса и подвижность меняются при изменении уровня.

Большинство электронов при нормальной температуре занимают центральную долину (ЦД). m * =0,066m, большая подвижность μ=(6…9)×10 3 см 2 /(В×с). В боковой долине (БД) m * =0,85m, μ=(0,1…0,15)×10 3 см 2 /(В×с).

Наиболее распространённым полупроводником для изготовления диодов Ганна является арсенид галлия. В этом материале электроны в зоне проводимости могут находиться в двух подзонах (долинах). В первой из них, где энергия электронов ниже, они обладают более высокой подвижностью, чем во второй, где энергия электронов высокая. При напряженностях поля ниже критической (Е КР =1,5 – 4 кВ/см) электроны проводимости находятся в нижней долине, и скорость их дрейфа пропорциональна приложенному напряжению.

При Е > Е КР происходит «заброс» электронов в верхнюю долину, где увеличение приложенного напряжения уменьшает подвижность электронов, что равносильно уменьшению тока или увеличению сопротивления этой области, т. е. в данной области имеет место отрицательное сопротивление.

Увеличение сопротивления в этой области приводит к перераспределению падения напряжения вдоль полупроводника. В этой области падение напряжения увеличивается, в остальных участках напряжённость поля падает и становится ниже критического.

Домен сильного поля зарождается возле катода – вывода, присоединённого к отрицательному полюсу внешнего источника напряжения. Зародившись, он сразу же начинает дрейфовать с большой скоростью (около 10 5 м/с) в направлении к аноду, достигнув которого пропадает. При этом напряжённость поля в полупроводниках возрастает, и возле катода зарождается новый домен, и т. д. В результате этих процессов ток, проходящий через полупроводник при напряжениях, создающих поле выше критического, пульсирует (возрастает в моменты исчезновения домена) с периодом, равным времени пробега τ доменом длины кристалла. Значение τ для диодов Ганна из GaAs, в зависимости от расстояния между контактами, составляет 10 -9 – 10 -10 с и менее, что соответствует частотам генерации порядка единиц – десятков ГГц.

Чем больше пороговое напряжение, тем больше слой накопления, но дрейфовая скорость и ток остаются на том же уровне.

Uг – напряжение гашения домена, при котором он рассасываются.

Период колебаний тока (Т) жестко связан с длиной кристалла d:

Для GaAs V нас ≈10 7 см/с, поэтому рабочая частота таких приборов, которые получили название диодов Ганна, или, как их теперь называют ДПЭ работающих в пролетном режиме, равна f пр =100/d, где f пр получается в гигагерцах, если d выражена в микрометрах; например, при d=10 мкм, f пр =10 ГГц.

Подключая к диоду КЦ, можно создать режимы работы диода Ганна.

1. Пролетный режим - режим генерации, при котором в объеме кристалла возникает и перемещается неоднородность пространственного заряда, содержащая не только слой, обогащенный электронами, но и обедненную область, тесно прилегающую к слою накопления заряда. Режим зависит от нагрузки и частоты настройки.

U 0 >U пор, (U 0 +U г)U пор.