Способ изготовления диодов ганна. Диод Ганна: принцип работы и применение

Диод Ганна - это полупроводник, который способен заниматься генерацией колебаний на различных частотах. В магазинах электроники устройства продаются разных типов. Также стоит отметить, что они отличаются по размеру. К основным параметрам модификаций относится проводимость тока, напряжение, максимальная частотность и сопротивление.

Устройство диода Ганна схожее с обычным полупроводником. Стандартная модель состоит из тонкого слоя арсенида. Также внутри устройства имеется специальная среда галлия и контакты. Под слоем арсенида располагаются легирующие примеси и электроды. Технология изготовления диода Ганна на разных предприятиях может отличаться.

Как он работает?

Как говорилось ранее, имеются разные типы диодов. Принцип работы устройств построен на преобразовании колебаний. Происходит это за счет изменения частотности в цепи. Первоначально напряжение подается на контакты, где возбуждается слой арсенида. Далее задействуются непосредственно электроды. При этом сила магнитного поля возрастает. Оптические контакты в системе необходимы для увеличения сопротивления. Процесс генерации колебаний осуществляется в легирующих примесях. Повышение скорости насыщения в данном случае зависит от проводимости электродов.

Применение диодов Ганна

Диоды активно применяются в генераторах разной частотности. Также стоит отметить, что они часто устанавливаются в контроллеры. Еще их можно встретить в трансформаторах. Однако устройства подходят не для всех типов модификаций. Для того чтобы более подробно разобраться в этом, надо рассмотреть типы диодов.

Виды модификаций

На сегодняшний день выделяют корпусные и бескорпусные устройства. Они отличаются по проводимости, а также защищенности. Также стоит отметить, что разделение модификаций осуществляется по длине. Существуют диоды на 20, 50 и 100 мкм.

Корпусные диоды

Корпусный полупроводниковый диод Ганна (фото показано ниже) подходит для генераторов разной частотности. Если верить экспертам, то модификации обладают хорошей проводимостью. Подключение устройств может осуществляться через контактные модуляторы. Технология изготовления диода Ганна на различных фабриках может отличаться. В некоторых случаях используются канальные переходники.

Также стоит отметить, что корпусные диоды обладают хорошей защищенностью. Параметр рабочей влажности у них равняется примерно 55 %. При этом минимальная допустимая температура составляет -30 градусов. Модели также хорошо подходят для конденсаторных трансформаторов. За счет представленных диодов достигается высокая скорость электродов.

Лавиннопролетные бескорпусные устройства

Бескорпусные лавиннопролетные диоды Ганна используются, как правило, для работы контроллеров. Параметр проводимости у многих моделей стартует от 30 мк. При этом обеспечивается высокая скорость электродов. Если рассматривать серийный диод Ганна, конструкция у него схожа с линейным полупроводником. При напряжении 12 В показатель перегрузки у моделей равняется не менее 55 А.

Однако в данном случае многое зависит от размера модификации. Также стоит учитывать тип транзистора, который используется для подключения к контроллеру. Во многих случаях устройства могут подсоединяться через распределитель. В такой ситуации сопротивление составляет примерно 2 Ом. Скорость насыщения зависит от количества легирующих примесей. Стоит отметить, что модификации не подходят для бесконтактных котроллеров. Основная проблема тут кроется в малой скорости насыщенности.

Устройства на 20 мкм

Большой популярностью пользуется этот диод Ганна. Принцип работы у него построен на генерации колебаний. Модели замечательно подходят для котроллеров приводного типа. Также стоит отметить, что модификации отличаются хорошим отрицательным сопротивлением при малых тепловых потерях. Однако у них есть определенные недостатки.

В первую очередь эксперты отмечают низкий показатель перегрузки при напряжении в 10 В. У моделей не самая лучшая защищенность. Рабочая влажность диодов на 20 мкм равняется 40 %. Легирующие примеси в данном случае медленно взаимодействуют с катодом. Скорость электродов зависит не только от проводимости, но и сопротивления.

Модификации на 50 мкм

Диод Ганна (обозначение 50 мкм указано на корпусе) разрешается применять для мощных генераторов. Подключение модификаций осуществляться может только через переходные конденсаторы. Если рассматривать диод Ганна 3А716И, то параметр допустимого напряжения равняется 15 В. Защищенность модели в данном случае зависит от типа блокиратора, который используется в оборудовании. Проводимость в среднем поддерживается на отметке 40 мк. Некоторые эксперты говорят о том, что представленные полупроводники обладают не лучшей проводимостью.

Однако стоит отметить, что процесс генерации колебаний происходит очень быстро. При этом обеспечивается высокий уровень насыщенности арсенида. Среда галлия остается активной даже при повышении температуры. Отдельно важно отметить, что модификации на 50 мкм подходят для кодовых контроллеров. Для подключения применяются транзиторные блоки. В данном случае проводимость обеспечивается на уровне 45 мк. При этом сопротивление у диодов максимум равняется 2 Ом. У них обеспечивается отличная защищенность, скорость электродов поддерживается на высоком уровне. Если говорить про недостатки таких систем, то важно отметить, что у них малая скорость насыщенности. Во многом это связано с наличием примесей в среде галлия.

Также можно упомянуть о том, что контакты часто перегреваются, процесс генерации колебаний может сильно замедляться. Для решения представленной проблемы могут использоваться переходные фильтры. В первую очередь они повышают отрицательное сопротивление. Также они хорошо влияют на проводимость электродов.

Отличие устройств на 100 мкм

Среди закрытых моделей часто встречается данный диод Ганна. Принцип действия модификаций построен на преобразовании колебаний. Для этого задействуется нижний слой арсенида. Если рассматривать обычный диод Ганна, конструкция у него является схожей с линейным полупроводником. Оптические контакты играют роль проводников.

Если говорить о применении модификаций, то стоит отметить, что диоды на 100 мкм неплохо подходят для кодовых контроллеров. Работать они способны при напряжении 13 В. В это время показатель перегрузки тока не должен опускаться ниже отметки 40 А. Отрицательное сопротивление в системе зависит только от скорости генерации колебаний. Также стоит отметить, что диоды на 100 мкм часто применяются для приводных котроллеров.

Модификации для генераторов на 10 ГГц

Для генераторов на 10 ГГц подходят диоды закрытого типа. При этом длина модификации не имеет значения. Непосредственно подключение устройства осуществляется через обычный переходной конденсатор. Также подходят полевые аналоги, у которых высокий параметр отрицательного сопротивления. Модификации для генераторов на 10 ГГЦ должны работать при напряжении не ниже 10 В.

Также стоит отметить, что нельзя подключать модификации через обычный проводной контактор. В первую очередь он снижает проводимость устройства. При этом уменьшается скорость электродов. Оптические контакторы для этих целей подходят замечательно. Они абсолютно не влияют на коэффициент теплопроводимости. В среднем отрицательное сопротивление поддерживается на уровне 4 Ом.

Устройства для генераторов на 15 ГГц

Под генераторы на 15 ГГц разрешается применять диоды только закрытого типа. Как правило, подключение модификаций осуществляется через консольные конденсаторы с проводимостью на уровне 4 мк. В некоторых случаях используются обычные контакторы. Однако они должны работать при напряжении 10 В. С защищенностью у генераторов все нормально. Оптические контакты диодов довольно быстро возбуждаются. Также эксперты указывают на высокую скорость электродов. Во многом это связано с высокой проводимостью. Скорость насыщения при этом регулируется коннектором. Если говорить про минусы, то стоит учитывать малый порог рабочей температуры. Допустимая влажность среды находится на уровне 55 %.

Слой зарядов модификации зависит от скорости процесса генерации колебаний. В некоторых случаях диоды подключаются через открытые транзисторы. В таком случае в цепи используются сеточные фильтры. В результате проводимость на пределе равняется 40 мк. При напряжении 12 В генератор с диодами должен выдавать перегрузку не менее 5 А. При понижении скорости электродов меняется контактор. Также проблемы могут заключаться в транзисторе. Модификации низкой проводимости не способны поддерживать постоянный импульс в системе.

Диоды для генераторов на 20 ГГц

Для генераторов на 20 ГГц используются диоды открытого и закрытого типа. В данном случае большую роль играет выбранный конденсатор. Как правило, используются модификации с выходным напряжением на уровне 30 В. Однако стоит помнить об отрицательном сопротивлении. При занижении этого параметра значительно падает скорость электродов. Также возникают проблемы с проводимостью и тепловыми потерями.

Параметр перегрузки у генераторов в основном не опускается ниже отметки 5 Н. У модификаций очень хорошая защищенность. При этом насыщенность легирующих примесей зависит от сопротивления на выходе. Для подключения через коннектор используются приводные переходники. Во многих случаях применяются именно трансиверы. Для поддержания стабильного напряжения устанавливаются стабилизаторы. Однако важно отметить, что диоды значительно теряют в проводимости при использовании коммутационных трансиверов.

Модели для оперативных резонаторов

Оперативные резонаторы нуждаются в быстрой генерации колебаний. Диоды данного типа хорошо подходят для этих целей. При установке модификации стоит в первую очередь заняться замером отрицательного сопротивления. Также не стоит забывать про проводимость оптических контактов, от которых зависит скорость электродов. Для повышения потенциала устройства рекомендуется применять емкостные трансиверы.

Параметр напряжения в этой ситуации на пределе будет достигать 30 В. Перегрузка диода зависит исключительно от проводимости конденсатора. Также стоит отметить, что при установке модификации стоит использовать фильтры на обкладках. В первую очередь они решают проблемы защищенности среды галлия. Также они положительно влияют на легирующие примеси.

Диоды в импульсных резонаторах

Конкретно для импульсных резонаторов подходят диоды на 20 и 50 мкм. При подключении устройств применяются кодовые переходники. В некоторых случаях используются коннекторы. Проводимость модификаций зависит от скорости насыщений и уровня отрицательного сопротивления. Если рассматривать схему с приводным контроллером, у нее напряжение на пределе равняется 40 В. Защищенность при этом поддерживается на высоком уровне. Недостатком такой системы считается низкая проводимость при малой частоте, а перегрузка равняется только 4 А.

Скорость насыщения поддерживается на высоком уровне, однако это достигается значительными тепловыми потерями. Если рассматривать схему на то там используется два фильтра. Непосредственно диод Ганна подходит на 20 мкм. Устанавливаться он обязан за переходником. В таком случае напряжение на пределе равняется примерно 10 В с отрицательным сопротивлением на уровне 4 Ом.

Применение устройств в приводных контроллерах

Для приводных контроллеров подходит диод Ганна на 100 мкм. Подключение модификаций осуществляется, как правило, через триоды. Данные устройства обладают неплохой проводимостью и способны работать с сеточными фильтрами. Им не страшны тепловые потери, а напряжение поддерживается на уровне 30 В. У моделей обеспечивается хорошая защищенность и высокая скорость электродов. Некоторые эксперты также активно используют диоды в цепях с компараторами, которые подключаются через два переходника. Регуляторы для таких систем подходят линейного типа.

Модели для частотных контроллеров

С целью обеспечения нормальной работы частотных контроллеров можно использовать диод Ганна только закрытого типа. При этом длина модификации может составлять 20 либо 50 мкм. В данном случае многое зависит от проводимости непосредственно контроллера.

Если рассматривать схему на полевом конденсаторе, то там отрицательное сопротивление на пике равняется 4 Ом. При напряжении 10 В устройство стабильно работает и показывает высокую скорость электронов. Насыщенность зависит от защищенности переходных контактов. Также при подключении диодов важно обращать внимание на проводимость внутри цепи между направляющими.

Диоды в широтных контроллерах

Для широтных контроллеров подходят модификации на 50 мкм. Подключать устройства можно через трансивер. Однако переходники подбираются на два контакта. В такой ситуации обеспечивается проводимость 55 мк при напряжении 12 В. При подключении модификации важно оценить отрицательное сопротивление. Также уделяется внимание контактору на обмотке. Максимальная допустимая перегрузка контура составляет 3 Ню. Для повышения защищенности модификации используются только релейные фильтры. При включении контроллера порог выходного напряжения не должен превышать 15 В.

Методика расчета

Введение

Диоды Ганна, как твердотельные генераторы токов в диапазоне СВЧ находят очень широкое применение в разнообразнейших устройствах благодаря своим несомненным преимуществам: легкости, компактности, надежности, эффективности и др.

Со времен своего появления диоды Ганна неоднократно совершенствовались. Шло повышение рабочих частот, приводящее к соответственному уменьшению размеров кристалла; принимались различные меры по увеличению КПД диодов и их выходной мощности.

Все это время рассчет диодов Ганна представлял собой очень длительный и трудоемкий процесс, даже с использованием компьютеров первых поколений. Однако, в наше время, в век стремительного роста материально-научной базы компьютерной техники становится возможным построить программное обеспечение, позволяющее произвести рассчет диода Ганна легко и просто.

Теоретические сведения

Это происходит в силу того, что электроны, набирая начальную скорость, находятся в нижней долине, где их эквивалентная масса мала. При некотором значении энергии электроны начинают попадать во вторую долину, теряя при этом 0,36 Эв энергии. Кроме того, в верхней долине их эквивалентная масса велика, поэтому они ускоряются полем значительно медленнее, чем в нижней.

Диод Ганна работает в импульсном режиме, когда активизируется его отрицательное дифференциальное сопротивление. Для этого в теле полупроводника возле катода создается область повышенного легирования, излучающая порции (сгустки) электронной плазмы. При этом электроны концентрируются благодаря эффекту Ганна, и сгусток устремляется к аноду, вызывая во внешней цепи импульс тока.

Температурная модель диодов Ганна

Исследования данной проблемы методом Монте-Карло показали, что основным недостатком применяемых до сих пор методов (например, локально-полевого) является то, что они не учитывают конечность времени разогрева электронов в нижней долине и конечность времени междолинного перехода, что делает их непригодными в диапазоне миллиметровых волн. Более перспективными в этом случае являются различные модификации гидродинамических или температурных моделей, в которых имеется четкое разделение электронов по нижней и верхней долинам, и конечность времени разогрева учитывается уравнением сохранения энергии.

Существуют различные гидродинамические модели. Мы рассмотрим так называемую двухтемпературную модель, в которой энергия электронов характеризуется максвелловской функцией распределения с различной температурой электронов в разных долинах, причем в верхней долине температура электронов предполагается равной температуре решетки. Эта модель относительно проста и достаточно оправдана физически.

Уравнения двухтемпературной модели доидов Ганна можно определить следующим образом.

Тут u 1,2 – скорость потока электронов в верхней и нижней долинах соответственно; t 12 и t 21 – время перехода из нижней долины в верхнюю и из верхней в нижнюю соответственно. Уравнение сохранения энергии для нижней долины можно переписать следующим образом:

В данной формуле E 1 – средняя энергия электронов в нижней долине; а индекс «ст» означает скорость изменения энергии электрона в нижней долине вследствие столкновения с фононами; индекс «1-2» означает скорость изменения энергии вследствие междолинного перехода; n 1 u 1 E – скорость разогрева электронов полем.

Скорость изменения энергии электронов вследствие столкновений и междолинных переходов может быть представлена в виде

В верхней долине температура электронов принимается равной Т 2 =Т 0 .

Статическая температурная модель

Недостатком температурной модели является тот факт, что величины t 12 , t 21 и t e1 не являются такими четко измеряемыми характеристиками, как пороговое поле эффекта Ганна, пороговая скорость, скорость насыщения. Поэтому, для определения параметров модели необходимо определить их соответствие измеряемым характеристикам, прежде всего – характеристики скорость-поле. Для этого надо вычислить статическую характеристику скорость-поле по температурной модели и подобрать параметры модели так, чтоб она соответствовала измеряемой характеристике.

Для этого в уравнениях динамической модели необходимо приравнять нулю производные по времени и пространственной координате. Кроме того, требуется учесть еще несколько физических моментов.

где А зависит от общего количества электронов в долине и плотности состояний в верхней долине. В верхней долине вероятность (скорость) перехода пропорциональна количеству электронов в верхней долине и плотности состояний в нижней. В итоге должно выполняться равенство:

Рассмотрение баланса импульса следует проводить в предположении, что после перехода из долины в долину средний импульс перешедших электронов равен нулю, и они должны будут набирать характерный импульс m i V i .

Начальные условия точно заданы быть не могут. Однако, если метод решения уравнения выбран правильно, то независимо от начальных условий через некоторое время счета задача сойдется к правильному решению. Типичным видом записи начальных условий является запист в виде:

Е=V D /L, n 1 =n 0 , n 2 =0, T 1 =T 0 .

Уравнения, описывающие процессы в кристалле, должны быть дополнены уравнениями внешней схемы. Наиболее простыми и распространенными вариантами задания внешней схемы являются такие подходы:

1. Решение самосогласованной задачи с внешней схемой в виде колебательного контура;

2. Метод заданного напряжения.

В первом случае в явном виде записываются дифференциальные чравнения внешней схемы и решаются совместно с уравнениями, описывающими процессы в кристалле. Этот метод называется также решением во временной области и используется, как правило, для исследования переходных процессов.

В последних двух записях предполагается, что ток находится в противофазе к приложенному напряжению и проводимость кристалла отрицательна.

Использование программы-модели

К данному курсовому проекту прилагается специальная программа, предназначенная для расчета диода Ганна, а также ее исходные коды на языке «Object Pascal» («Delphi 4.0»). Данная программа предназначена только для учебного использования и не должна использоваться для любых серьезных исследований, так как она не имеет должной защиты от ошибок пользователя и системных сбоев. Герантировать нормальную работу производитель может только при условии внимательного прочтения данных рекомендаций.

При запуске программы не ее окне может отсутствовать окно графиков. Это не является признаком ее неправильной работы. Окно появляется после первого расчета.

Допустимые значения, вводимые в поля программы, таковы:

2. «Число шагов по длине» - не следует вводить числа, меньшие 3 и большие 5.000 (хотя работоспособность программы может сохраниться и при вводе чисел до 3.000.000).

3. «Начало переходной области» - участок, где легирование начинает уменьшаться, поэтому это число не должно быть больше п.2.

4. «Конец переходной области» - участок, где уровень легирования достигает уровня легирования тела кристалла.

5. «Частота внеш. напряжения» - не особенно критичный параметр, может принимать любые разумные значения.

6. «Амплитуда внешнего напряжения» - V ≈ должна быть в перделах нескольких десятков вольт.

7. «Смещение нуля» - напряжение V 0, имеет смысл только в пределах нескольких десятков вольт.

8. «Время наблюдения» - время, за которое производится наблюдение. При его увеличении заметно расплывание домена и изменение его свойств. Очень критичный параметр как по устойчивости программы, так и по времени нахождения решения. Не стоит без особой надобности устанавливать этот параметр менее 0,01 пс или более 10 нс. В первом случае задача расходится, а во втором – время работы может быть очень значительным.

Работа с графиками. Данная программа отображает графики характеристик только после очередного цикла работы. Предустановленными являются не все характеристики, поэтому может потребоваться включить их вручную – установив птички в соответствующих клеточках. При этом изменения вступят в силу после очередного цикла работы. Все характеристики названы так, как переменные в программе, что призвано облегчить понимание ее исходного кода.

Пример расчета диода Ганна. Выберем параметры такими:

Длина кристалла – 3 мкм;

Число шагов по длине – 200;

Начало переходной области – 10;

Конец переходной области – 20;

Частота внеш. напряжения – 35 ГГц;

Амплитуда внеш. напряжения – 2 В;

Смещение нуля – 4 В;

Время наблюдения – 4 пс.

На иллюстрации приведены некоторые графики, расчитанные программой. Тут хорошо заметны процессы разогревания электронов электрическим полем и образование доменов. График салатного цвета – импульс тока, движущийся от катода к аноду. Если наблюдать эти процессы в динамике, станет видно, что сначала скорость электронов и сила тока растут, и домен, уплотняясь, движется к аноду. Достигнув своей максимальной плотности но еще не дойдя до анода, домен начинает распадаться, «втягиваясь» в анод. Потом процесс повторяется циклически.

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.

При самостоятельной сборке различных электроприборов не обойтись баз такого изделия, как полупроводниковый диод. Это устройство применимо для работы многих приборов, которые люди собирают в домашних лабораториях.

Но для того чтобы применять такое устройство, необходимо знать некоторые его особенности: его виды (типы) и их характеристики (например, ВАХ или вольт амперная характеристика), принцип действия, и многое другое.
Обо всем этом вы узнаете из нашей статьи.

Начнем с азов

Диод представляет собой полупроводниковое двухвыводное радиоэлектронное устройство, которое обладает вольт амперной характеристикой или ВАХ. Благодаря ВАХ электрический ток по изделию может течь только по одному направлению. Это направление определяется в ситуации, когда при прямом смещении сопротивление будет практически равно нулю. При другом направлении нелинейная ВАХ, как особая характеристика изделия, не позволяет току протекать, поскольку в этом случае сопротивление будет велико.

Устройство изделия

На ВАХ основано исследование данных типов компонентов. Реферат о свойствах диодных полупроводников можно написать про ВАХ, различные виды изделий, а также о том, какой их общий принцип работы. При этом реферат будет содержать в каждом случае разную информацию, так как здесь сложно изложить суть в кратком объеме.
После того, как мы разобрались, что собой представляет диод, можно выяснить основные моменты его полупроводникового вида.
Полупроводниковый диод (диодный вентиль) представляет собой изделие, изготовленное из полупроводниковых материалов (зачастую кремния). Поскольку у него есть вольт амперная характеристика, то ток здесь может течь только в одном направлении.

Главным компонентом такого электрического элемента является кристаллическая часть, в которой есть p-n переход. Переход подключен к двум электрическими контактами. Сама вакуумная трубка имеет два электрода: нагретый катод и пластину (анод).
Такая структура, а также принцип работы, позволяет применять их для:

• улучшения различных электронных схем;
• преобразования постоянного и переменного тока;
• усовершенствования различных устройств.

Реферат может более полно описать каждый способ применения.

О важном свойстве

ВАХ полупроводникового элемента

Самым важным параметром в характеристике полупроводниковых диодных компонентов электрических систем является ВАХ. Как уже говорилось выше, под ВАХ понимается вольт амперная характеристика диода. Эта характеристика определяет зависимость тока, проходящего через p-n переход, к полярности, а также величине приложенного к нему напряжения. Данная зависимость имеет вид кривой, представленной на рисунке снизу.

Рисунок изображает ВАХ для обратного и прямого типа включения.
Эта характеристика используется для создания эффективных электрических схем, предназначенных для самых разнообразных целей.

Как работает

Принцип действия, в своей основе, содержит свойства этого электронно-дырочного перехода. Здесь свойства перехода зависят от того, какая имеется вольт амперная характеристика (ее сильная асимметрия по отношению к нулю). Любой реферат расскажет об этом. Следовательно, принцип работы предполагает два типа включения:

• прямое. Здесь диод обладает слабым электросопротивлением, в связи с чем электрический ток и может течь. Это демонстрирует рисунок, который дополняет профильный реферат;

Прямое включение

• обратное. Ток прекращает течь при создании ситуации, когда напряжение меньше напряжения пробоя для имеющегося сопротивления. Такой рисунок тоже должен содержать любой тематический реферат.

Обратное включение

Данный принцип действия характерен почти для всех полупроводниковых диодов, за исключением ганна.

Варианты исполнения

На сегодняшний день полупроводниковый диод может быть представлен различными видами устройств. Их классификация основана на принципе действия, материале изготовления и т.д.
Существует и классификация, которая основана на области применения. Согласно ней выделяют следующие типы диодов:

• импульсные;
• стабилитроны;
• точечные;
• сплавные;
• лазер;
• светодиоды;
• варикапы и прочие типы.

Специальный реферат о каждом виде расскажет более детально, указав особенности работы, вольт амперные характеристики, свойства и т.д. для каждого типа.

Обратите внимание! Такие диоды часто применяются как выпрямительный поликристаллический аналог мостов.

Помимо этого существует и друга классификация данной продукции, основанная на функциональном предназначении:

• выпрямительный. Такие диоды предназначены для того чтобы выпрямлять переменный ток. Здесь коэффициент выпрямления будет равен отношению прямого и обратного токов (напряжение равное);
• высокочастотный. Как правило, с ними проводят исследование, связанное с работой приборов сверхвысокой и высокой частоты. Часто применяются для детектирования, а также моделирования сверхвысокочастотных колебаний. Частота может доходить до сотен мегагерц;
• варикапы. Их принцип работы базируется на изменении свойств емкости электронно-дырочного перехода. Емкость может меняться в зависимости от обратного прикладываемого напряжения;
• туннельный. Здесь усиление туннельного эффекта p-n-перехода достигается за счет использования больших концентраций различных легирующих примесей.

Данная классификация применяется чаще всего.
Также типы диодов различаются по конструкции. Они могут быть:

• плоскими;
• точечными;
• микросплавными.

По делению в зависимости от мощности, выделяют такие типы:

• мощные;
• средней мощности;
• маломощные.

По параметру частоты данная продукция делится на:

• высокочастотные;
• низкочастотные;

Разнообразие диодов

Полупроводниковые диоды имеют большое количество делений по классам, мощностям, частотам и прочим параметрам, что демонстрирует их широкое применение.

Отдельный подвид

Особняком в классификации полупроводниковых типов диодов стоит ганна. Это связано с тем, что данное устройство не имеет типичного для всех перечисленных выше диодов p-n-перехода.
Диод ганна обладает дифференциальным отрицательным сопротивлением. Из-за этого ганна часто используется в роли генератора малой мощности при формировании микроволн.

Строение диода ганна

Диод ганна в своей конструкции имеет полупроводник N-типа. В этом проводнике электроны выступают в роли основных носителей заряда. На рисунке, где изображено строение диода ганна, видна активная область. Она представляет собой низколегированный слой арсенида галлия. С двух сторон активной области наращиваются специальные эпитаксиальные слои из высоколегированного GaAs. Толщина слоя составляет примерно 8-10 микрометров.

В результате активная область получается зажатой между 2-мя зонами, оснащенными омическими контактами. Это дает возможность обеспечить эффективный теплоотвод, который помогает избежать перегрева или повреждения выхода диода. На таком строении и основан эффект ганна, который применяется при формировании микроволн.
Как видим, диод ганна имеет совершенно иное строение, чем привычные нам изделия, обладающие p-n-переходом.

Достоинства продукции

Все варианты полупроводниковых диодов имеют следующие преимущества, которые сделали их постоянными составляющими многих электрических схем:

• высокие пропускные способности;
• полная взаимозаменяемость;
• невысокая стоимость, поэтому данный тип изделий может использоваться для улучшения разнообразных электрических схем. По кошельку такая модернизация уж точно не ударит;
• доступность, купить их не составит проблемы.

Обратите внимание! Найти такие диоды можно в любом радиотехническом магазине или рынке. При этом можно достать как отечественные изделия, так и зарубежную продукцию.

Что обозначает маркировка

Маркировка на диодах

Каждый полупроводниковый диодный элемент обладает определенной маркировкой. Она может отличаться в зависимости от характеристик изделия, его вида, мощности и прочих параметров.

Маркировка, которая нанесена на такого рода компоненты электрических схем, является аббревиатурой и отражает параметры устройства. К примеру, маркировка КД196В расшифровывается следующим образом:

• кремниевый диод, имеющий напряжение пробоя до 0,3 В;
• напряжение 9,6 (цифра 96);
• модель третьей разработки.

Чтобы приобрести необходимый полупроводник, нужно внимательно изучить маркировку и знать, как она расшифровывается.

Заключение

Полупроводниковые диоды обладают просто огромным разнообразием форм и видов. Каждый отдельный тип имеет свои уникальные характеристики и свойства, что позволяет использовать его в конкретной ситуации. Этот факт следует учитывать при приобретении таких компонентов электрической схемы для электроприборов, чтобы купить действительно нужный.
Надеемся, наша статья помогла вам разобраться во многих нюансах и тонкостях этой разновидности радиотехнических устройств.Как правильно сделать освещения кухни ресторана Как пользоваться индикатором, какие бывают типы прибора

Эффект Ганна наблюдается помимо GaAs и InP также 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 существенно отличаются технологии изготовления приборов и качество исходного полупроводникового материала. 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 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 нём мощности.