Генераторные диоды

Диоды Ганна. В 1963 г. Сотрудник фирмы IBM Дж. Ганн обнаружил, что при приложении к кристаллу арсенида галлия напряжения, создающего напряженность электрического поля более 105 В/см, возникают колебания высокой частоты.

Основная причина эффекта Ганна заключается в сложной структуре зоны проводимости арсенида галлия, обеспечивающей возможность существования легких (быстрых) и тяжелых (медленных) электронов. Вольт-амперная характеристика диода Ганна приведена на рис. 3.23. При малых напряженностях электрического поля ( малое напряжение) электроны находятся в районе нижних уровней зоны проводимости, где их подвижность высока.

Рис. 3.23. Зависимость плотности тока в диоде Ганна от напряженности электрического поля

Для этого случая зависимость плотности тока гот напряженности электрического поля описывается уровн6ением и представлена участком ОА графика, приведенного на рис. 3.23. Тангенс угла наклона этого участка характеристики равен удельной электропроводности . По мере роста напряженности электрического поля все большее количество электронов переходит в область высоких энергетических уровней, или, как говорят, в «верхнюю долину». В этой зоне подвижность электронов значительно меньше и рост тока замедляется (участок АВ на рис. 3.23). При некоторой критической напряженности электрического поля переход электронов в «верхнюю долину» становится настоль интенсивным, что плотность тока уменьшается.

Участку ВС характеристики (см. рис. 3.23) соответствует отрицательная проводимость диода.

Критическая напряженность поля в кристалле (рис. 3.24, а) возникает на участках с повышенным сопротивлением, которые, как правило, располагаются у контактов, где имеются различные дефекты кристаллической решетки. При подключении к диоду напряжения (рис. 3.24, б) критическая напряженность поля возникает возле отрицательного электрода (рис. 3.24, в). Так как в этой области скорость электронов падает, а сопротивление растет, то происходит перераспределение падения напряжения на полупроводнике. Падение напряжения и напряженность электрического поля в области с повышенным сопротивлением возрастают, а в остальной части — уменьшаются (см. рис. 3.24, б).

Рис. 3.24. Графики, поясняющие образование электростатического домена в диоде Ганна

Поскольку в области сильного электрического поля скорость электронов уменьшается, то со стороны катода к области сильного поля примыкает отрицательный объемный заряд (рис. 3.24, г), обусловленный догоняющими эту область быстрыми электронами с высокой подвижностью . В другой стороне области сильного поля образуется положительный заряд донорных ионов, возникший на месте обгоняющих область сильного поля быстрых электронов. Области отрицательного и положительного зарядов образуют дипольный слой, называемый электростатическим доменом.

Во время движения домена в диоде проходит ток, имеющий плотность j. Через промежуток времени Тд = 10–5L, где L — длина образца, домен доходит до анода и разрушается. При этом восстанавливается равномерное распределение поля в полупроводнике и плотность тока возрастает до jкр, а затем опять возникает домен, и процесс повторяется, вызывая колебания тока в диоде (рис. 3.25).

Рис. 3.25. Форма импульса тока в диоде Ганна

Трудно получить величину L менее 10 мкм, поэтому частоты сигналов, генерируемых диодами Ганна, не превышают 1010 Гц. При этом критическая напряженность поля достигается при напряжении 5…40 В, что является препятствием для получения больших мощностей колебаний. Эти затруднения устраняются, если диоды используются в режиме ограничения накопления объемного (пространственного) заряда (ОНОЗ или ОНПЗ). В режиме ОНОЗ на диод Ганна воздействует напряжение смещения Uсм и переменное напряжение с амплитудой Um, снимаемое с колебательной системы, в которую включен диод. Напряжения Uсм и Um подбираются таким образом, чтобы в течение части периода колебаний напряженность электрического поля оказывалась меньше критической (рис. 3.26). Пока напряженность поля превышает критическую, у катода формируется домен. Если период колебаний , то при U < Uкр домен начинает рассеиваться, не дойдя до анода. Во время формирования домена при увеличении напряжения на диоде ток уменьшается, а при уменьшении напряжения на диоде увеличивается. Следовательно, диод обладает отрицательным динамическим сопротивлением и в системе могут поддерживаться колебания. В этом режиме частота колебаний определяется частотой резонатора, а не временем пролета домена Тд.

Рис. 3.26. График режима ОНПЗ диода Ганна

Исследования показали, что возможно создание генераторов Ганна мощностью 400 кВт в импульсе и частотой до 50ГГц.

Лавинно-пролетные диоды (ЛПД). Лавинно-пролетными называют диоды с отрицательным сопротивлением в диапазоне СВЧ, обусловленным лавинным размножением носителей зарядов в p-n-переходе и ограничением скорости их дрейфа. В основе действия ЛПД лежит пробой p-n-перехода. При пробое p-n-перехода (рис. 3.27) возникшие электронно-дырочные пары движутся в области объемного заряда (область i) в сильном электрическом поле (более 5000 кВ/м). При такой напряженности поля скорость дрейфа электронов не увеличивается с ростом электрического поля. Это насыщение скорости вызывает сдвиг фаз между током и переменным напряжением, прикладываемым к диоду. Выбором режима и ширины области объемного заряда можно добиться сдвига фаз на 180°. Нарастанию напряжения при этом соответствует уменьшение тока, т.е. диод имеет отрицательное сопротивление. Это позволяет использовать такие диоды в качестве генераторов СВЧ-колебаний.

Рис. 3.27. Структура лавинно-пролетного диода с p-i-n-переходом

Кроме рассмотренной структуры, существуют ЛПД с p-n-переходом типа p+-n-i-n+ (n+-p-i-p+). Последние были предложены Ридом в 1964 г., их называют диодами Рида.

ЛПД изготавливают из германия, кремния и арсенида галлия. Их рабочие частоты достигают сотен гигагерц при мощности колебаний до десятков ватт в импульсе. Недостатком таких диодов является низкий КПД, что обусловлено узким диапазоном амплитуды переменного напряжения, при котором существует отрицательное сопротивление.