Ефект Ганна (стр. 3 из 3)

Рис. 4.1 Діоди Ганна

Рис. 4.2

Вольт-амперна характеристика діоду Ганна (N - подібна)

При відсутності зовнішнього поля або при порівняно слабкому полі електрони перебувають у нижній зоні провідності, де вони мають більше високу рухливість, і тому напівпровідник має порівняно високу провідність. Якщо збільшувати напругу, прикладена до напівпровідника, то спочатку струм зростає відповідно до закону Ома, але при деякій напрузі, коли напруженість поля стає досить високою, більша частина електронів переходить у верхню зону провідності і внаслідок зменшення їхньої рухливості у цій зоні опір напівпровідника різко збільшується. Струм зменшується, і на вольт-амперній характеристиці виникає падаюча ділянка, що відповідає негативному диференційному опору (рис. 4.2). Подальше збільшення прикладеної напруги знову викликає приблизно пропорційне зростання струму.

Внаслідок неминучих неоднорідностей у матеріалі напівпровідника опір під дією сильного поля підвищується у цей момент часу не у всьому напівпровіднику, а лише в якомусь одному місці. Область такого підвищеного опору й більше сильного поля називають доменом (рис. 4.3). Домен звичайно утворюється біля катода (мінус) і не залишається на одному місці, а рухається з великою швидкістю до анода (плюс).У самому домені швидкість електронів менше, ніж на інших ділянках і густина об'ємного заряду збільшено, тобто домен являє собою своєрідний згусток. У ньому зосереджене більше сильне поле, а в іншій частині напівпровідника поле більше слабке й швидкість електронів вище. Тому праворуч від домена електрони швидше йдуть до анода й виникає область, збіднена електронами. А ліворуч від домена, навпаки, до нього швидше приходять нові електрони. Цей процес обумовлює

Рис. 4.3

Домен у діоді Ганна

переміщення домена від катода до аноду.

Дійшовши до анода, домен зникає, але новий домен знову виникає біля катода, рухається до анода й т.д. Зникнення доменів і виникнення нових супроводжується періодичною зміною опору діода Ганна, внаслідок чого з'являються коливання струму діода, частота яких при малій довжині шляху домена (відстань анод - катод) виявляється у діапазоні НВЧ.

Частота цих коливань: f = v_дом / L,

де v_дом – швидкість домену, яка складає для арсеніду галію приблизно 10⁷см/с, L – довжина напівпровідника (звичайно одиниці мікрометрів для діодів Ганна). Звідси видно, що, наприклад, при L = 10 мкм частота коливань f = 10⁷/10^-3 = 10¹⁰Гц = 10 ГГц.

Важлива особливість діодів Ганна у тім, що на відміну від інших «працює» весь напівпровідник, а не тільки мала частина його – n-р перехід. Тому в діодах Ганна можна допустити більші потужності. У цей час ці діоди вже генерують у безперервному режимі коливання потужністю, що досягає десятків ват, а в імпульсному режимі - одиниць кіловат, при ККД від одиниць до десятків відсотків. За теоретичними розрахунками передбачається, що можна створити діоди Ганна на потужності до сотень кіловатів в імпульсному режимі при частотах у десятки гігагерць.

Як і будь-який генератор НВЧ-діапазону, генератор Ганна характеризується генеруючою потужністю, довжиною хвилі або частотою генеруючих коливань, коефіцієнтом корисної дії, рівнем шумів та іншими параметрами.

Рабоча частота у пролітному режимі обернено пропорційнадовжиніаботовщині високоомній частині кристалу (f=v/l). Зв’язок між генерируючоюпотужністю та частотою можно записатиувигляді:

Потужність генерируючих НВЧ-коливань залежить від повного опору Z або від площі робочої частини високоомного шару напівпровідника. Наведене співвідношення вказує на те, що зміна потужності із частотою пропорційна 1/f². Верхня межа робочої частоти діодів Ганна становить приблизно 150 ГГц. Генератори Ганна з арсеніду галію можуть генерувати НВЧ-коливання від 1 до 50 ГГц. Трохи більші частоти отримані на генераторах Ганна з фосфіду індію у зв'язку із більшими значеннями максимальних швидкостей електронів, але якість приладів із цього матеріалу значно нижча через недостатнє відпрацьовування технології виготовлення матеріалу.

Напруга, В

Частота, ГГц

Напруга, В

Напруга, В

N – Рівень легування

Густинапотокупотуж-ності,Вт/см²

Основнагармоніка

Вторинна гармоніка

Частота, ГГц

в)

Рис. 4.4

Приклади характеристик діодів Ганна

а) типічна залежність, генеруючої діодом Ганна потужності, від прикладеної напруги;

б) типічна залежність, генеруючої діодом Ганна потужності, від прикладеної напруги та температури;

в) частота та щільність , генеруючої діодом Ганна потужності, від ступеню легування для випадку GaN.

Перевага фосфіду індію перед арсенідом галію є більше значення граничної напруженості електричного поля (10,5 і 3,2 кВ/см відповідно). Це повинне дозволити створити генератор Ганна з більшою вихідною потужністю. Для створення більших частот генерируючих коливань становлять інтерес потрійні сполуки GaInSb, тому що в них великі дрейфові швидкості електронів.

У зв'язку з можливою наявністю у кристалі генератора Ганна декількох неоднорідностей зародження домену може відбуватися у різні моменти часу на різній відстані від анода. Тому частота коливань буде змінюватися, тобто можуть виникати частотні шуми. Крім частотних шумів у генераторах Ганна існують амплітудні шуми, основною причиною яких є флуктуації у швидкостях руху електронів. Звичайно амплітудні шуми в генераторах Ганна малі, тому що дрейфова швидкість у сильних електричних полях, що існують у цих приладах, насичена й слабко змінюється при зміні електричного поля.

Важливим для практичного застосування генераторів Ганна є питання про можливості їхньої частотної перебудови у досить широкому діапазоні. Із принципу дії генератора Ганна ясно, що частота його повинна слабко залежати від прикладеної напруги. Зі збільшенням прикладеної напруги трохи зростає товщина домену, а швидкість його руху змінюється незначно. У результаті при зміні напруги від граничного до пробивного частота коливань збільшується всього на десяті частки відсотка.

Термін служби генераторів Ганна відносно малий, що пов'язане з одночасним впливом на кристал напівпровідника таких факторів, як сильне електричне поле й перегрів кристала через потужності, що виділяється в ньому.

В 1966 р. був створений промисловий зразок генератора НВЧ-коливань з робочою частотою порядку 2 – 3 ГГц і вихідною потужністю 100 Вт в імпульсному режимі. На виставці вимірювальних приладів електронної техніки й автоматики, що відбулася в США в 1968 р., були продемонстровані радіолокаційні станції з генератором Ганна, призначені для визначення швидкості тіл, що рухаються. Ці станції були настільки малі, що їх можна було тримати у руках.

5. Висновок

У даній роботі були розглянуті, як теоретична і так практична сторони ефекту Ганна. З’ясовані причини виникнення участку негативного опору на вольт-амперній характеристиці у діодах Ганна. Детально розглянуто процес виникнення, рух і зникнення електричного домену, його характеристики. Розглянуто рух електронів, з одного мінімуму до іншого, при різних значеннях прикладенного поля, - при менших та більших за критичне. З’ясовані основні характеристики і особливості діодів Ганна.

6. Список використаної літератури

1. Епифанов Г.И., МомаЮ. О., Твердотельная электроника. – М.: Высшая школа, 1986. – 304 с.

2. Шалимова К. В., Физика твердого тела. – М.: Энергия, 1976. – 416 с.

3. Жеребцов И. П., Основы электроники. – Л.: Энергоатомиздат, 1990. – 352 с.

4. Гуртов В. А., Артамонов А. Н., Ветров А. С.– Твердотельная электроника. – П.: Издательстельство ПетрГУ, 2000.– 254 с.