Диоды Ганна: принцип работы и применение

Полупроводниковые приборы для генерации СВЧ-колебаний

Введение

Диод Ганна — это полупроводниковый прибор, который используется для генерации и преобразования высокочастотных СВЧ-колебаний. Его главная особенность в том, что он не имеет p-n перехода. Его работа основана на совершенно другом физическом явлении — эффекте Ганна.

В 1963 г. сотрудник фирмы IBM Дж. Ганн обнаружил, что при приложении к кристаллу арсенида галлия напряжения, создающего напряженность электрического поля более \(10^5\) В/см, возникают колебания высокой частоты. Исследования показали, что такое явление, названное эффектом Ганна, наблюдается и у кристаллов некоторых других соединений.

Физическая основа: Эффект Ганна

Ключевое явление — Отрицательное дифференциальное сопротивление (ОДС). Это означает, что на определенном участке вольт-амперной характеристики (ВАХ) при увеличении напряжения ток не увеличивается, а, наоборот, уменьшается.

Основной причиной эффекта является возможность существования легких (быстрых) и тяжелых (медленных) электронов в некоторых полупроводниках.

При малых напряженностях электрического поля электроны находятся в районе нижних уровней зоны проводимости, где их подвижность высока. Для этого случая зависимость тока от напряженности электрического поля описывается уравнением:

и представлена участком OA графика на рисунке 1.

Рисунок 1 - Вольт-амперная характеристика диода Ганна

Участку BC характеристики соответствует отрицательная проводимость диода.

По мере роста напряженности электрического поля все большее количество электронов переходит в область высоких энергетических уровней (говорят — «в верхнюю долину»). В этой зоне подвижность электронов значительно меньше и рост тока замедляется (участок АВ на рис. 1). При некоторой критической напряженности электрического поля \(E_{кр}\) переход электронов в верхнюю долину становится настолько интенсивным, что плотность тока уменьшается. Это уменьшение наблюдается до пороговой напряженности поля \(E_{пор}\), при которой большинство электронов перейдет в «верхнюю долину». Дальнейшее увеличение электрического поля приведет к линейному росту тока в соответствии в законом \(j = qn\mu_n E\), где \(\mu_n < \mu_p\) (участок CD на рис. 1).

Принцип работы диода Ганна

Сам прибор представляет собой просто однородный кусок полупроводника n-типа (например, GaAs) с двумя омическими контактами.

1. Подача напряжения: К диоду прикладывается постоянное напряжение, превышающее пороговое.
2. Образование "домена": В случайном неоднородном месте кристалла формируется небольшой слой сильного электрического поля — домен Ганна (или "слой сильного поля"). Этот домен представляет собой слой, обедненный электронами.
3. Движение домена: Домен начинает двигаться от катода к аноду. Скорость его движения примерно равна скорости дрейфа электронов (\(~10^5\) м/с).
4. "Рассасывание" и зарождение нового домена: Когда домен достигает анода, он "рассасывается", что вызывает кратковременный всплеск тока во внешней цепи. Сразу же у катода рождается новый домен, и процесс повторяется.
5. Генерация колебаний: Этот циклический процесс рождения, движения и исчезновения доменов создает периодические колебания тока через диод. Частота этих колебаний обратно пропорциональна времени пролета домена через кристалл.

Важно: Частоту можно задать внешней цепью (резонатором), заставив домены рождаться в нужный момент. Это позволяет синхронизировать внутренние процессы диода с внешней СВЧ-нагрузкой.

Критическая напряженность поля в кристалле возникает на участках с повышенным сопротивлением, которые, как правило, располагаются у контактов, где имеются различные дефекты кристаллической решетки. Обычно критическая напряженность возникает возле отрицательного электрода (катода). Падение напряжения и напряженность электрического поля в области с повышенным сопротивлением возрастают, а в остальной части уменьшаются (рис. 2).

Рисунок 2 - Распределение электрического поля в диоде Ганна

Поскольку в области сильного электрического поля скорость электронов уменьшается, то со стороны катода к области сильного поля примыкает отрицательный заряд, обусловленный догоняющими эту область быстрыми электронами с высокой подвижностью. К другой стороне области сильного поля примыкает положительный заряд донорных ионов, возникший на месте обгоняющих область сильного поля быстрых электронов. Области отрицательного и положительного зарядов образуют дипольный слой, называемый электростатическим доменом. Напряженность электрического поля в домене нарастает до значения \(E_Д\), при которой скорости электронов в домене и вне его сравняются. Домен перемещается в сторону анода с дрейфовой скоростью, составляющей для арсенида галлия \(10^5\) см/с.

Во время движения домена в диоде протекает ток с плотностью \(j\). Через время \(T = L/V\), где \(L\) — длина образца, \(V\) — дрейфовая скорость электронов, домен доходит до анода и разрушается. При этом восстанавливается равномерное распределение поля в полупроводнике и ток возрастает до величины \(j_{кр}\), затем опять возникает домен и процесс повторяется, вызывая колебания тока в диоде (рис. 3).

Рисунок 3 - Колебания тока в диоде Ганна

Величину \(L\) трудно получить менее 10 мкм, поэтому частоты сигналов, генерируемых диодами Ганна, не превышают 50 ГГц. При этом критическая напряженность поля достигает при напряжении 5–40 В, что является препятствием для получения больших мощностей колебаний.

Конструкция и основные режимы работы

Конструкция: Активная область (n-GaAs) выращивается эпитаксиально на сильно легированной подложке. Сверху формируется омический контакт. Весь прибор помещается в корпус, подходящий для СВЧ-трактов (например, металло-керамический).

Режимы работы:

Эти трудности устраняются, если диоды используются в режиме ограничения накопления объемного (пространственного) заряда (ОНОЗ). В режиме ОНОЗ на диод Ганна подается постоянное напряжение смещения \(U_{см}\) и переменное напряжение с амплитудой \(U_м\), снимаемое с колебательной системы, в которую включен диод. При этом \(U_{см}\), \(U_м\) подбирают так, чтобы диод работал на участке с отрицательным дифференциальным сопротивлением. В этом случае частота колебаний определяется частотой резонатора, а не временем пролета домена. Поэтому могут быть увеличены толщина кристалла и, следовательно, рабочее напряжение и выходная мощность. С помощью генераторов с ОНОЗ можно достичь мощности колебаний порядка десятых долей ватта в диапазоне 30–300 ГГц с КПД, равным 20 %, и сотен ватт в импульсном режиме.

Области применения

Диоды Ганна нашли широкое применение в СВЧ-технике:

1. Генераторы СВЧ-колебаний (Ганн-осцилляторы): Это их основное применение. Они используются в качестве маломощных, стабильных и компактных генераторов в диапазоне 1 – 100 ГГц.
2. Передатчики и гетеродины: В радиолокационных системах, спутниковой связи, линиях радиорелейной связи.
3. Датчики движения: В известных всем "микроволновках" (микроволновых датчиках движения) для охранных систем и автоматического открывания дверей стоит именно генератор на диоде Ганна.
4. Измерительная техника: В качестве эталонных генераторов в СВЧ-измерительных приборах.

Преимущества и недостатки

Краткое резюме

• Что это? Полупроводниковый СВЧ-прибор без p-n перехода.
• Как работает? На основе эффекта Ганна — возникновения области отрицательного дифференциального сопротивления в таких материалах, как арсенид галлия.
• Для чего нужен? В основном для создания маломощных, но высокочастотных и стабильных генераторов СВЧ-сигналов.
• Где встречается? В системах связи, радарах, датчиках движения и измерительной технике.

Таким образом, диод Ганна — это уникальный и важный компонент в мире электроники, который уже более полувека надежно служит в нише СВЧ-устройств.