 |
Принцип работы и устройство диодов Ганна
|
|
|
|
БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ФАКУЛЬТЕТ РАДИОФИЗИКИ И КОМПЬЮТЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ
Методические указания к лабораторной работе
ИЗУЧЕНИЕ ЭФФЕКТА ГАННА
Минск
СОДЕРЖАНИЕ
1. Цель и задачи работы
2. Эффект Ганна. Принцип работы и устройство диодов Ганна
3. Описание и работа установки
4. Методические указания по выполнению заданий
5. Указания по оформлению отчета
6. Контрольные вопросы
7. Список использованной литературы
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ
Цель работы
Целью работы является изучение эффекта Ганна, принципов работы СВЧ диодов на его основе и установление взаимосвязи между вольтамперными характеристиками диодов и выходными энергетическими параметрами.
Подготовка и задание к работе
· изучить методические указания к лабораторной работе, обратив внимание на физическую сущность эффекта Ганна, устройство диода Ганна;
· ознакомиться с работой установки для измерений ВАХ;
· снять вольтамперную характеристику диода Ганна;
· вычислить коэффициент потерь исследуемого генератора.
ЭФФЕКТ ГАННА
ПРИНЦИП РАБОТЫ И УСТРОЙСТВО ДИОДОВ ГАННА
Эффект Ганна был обнаружен в 1963 году сотрудником фирмы IBM Дж. Ганном в GaAs n-типа. В настоящее время он широко используется в полупроводниковой СВЧ-электронике, в частности, для генерирования СВЧ колебаний [1-5].
2.1. Физическая сущность эффекта Ганна
Сущность эффекта Ганна заключается в возникновении спонтанных осцилляций тока (СВЧ-колебаний) в объеме однородного полупроводникового образца при приложении к нему постоянного электрического поля, большего некоторого порогового значения (критическое значение поля 
= 3,5 кВ/см для GaAs и = 6 кВ/см для InP).
|
|
|
Объяснение эффекта было дано на основе механизма междолинного перехода электронов в зоне проводимости (механизм Ридли - Уоткинса - Xилсума), предложенного еще до открытия эффекта. Рассмотрим этот механизм на примере полупроводника, имеющего два минимума (две долины) в зоне проводимости, в которых различается эффективная масса носителей заряда, их подвижность и плотность состояний. На рис. 1 схематически представлена структура зоны проводимости GaAs.
Рис.1. Энергетическая диаграмма зоны проводимости GaAs.
При комнатной температуре и слабом электрическом поле практически все электроны будут находиться в нижней долине. Плотность электрического тока, протекающего через образец
| (1) |
где 
- заряд электрона, 
- концентрация электронов в равновесном состоянии, 
- подвижность электронов, соответствующая нижней долине, 
- величина приложенного электрического поля.
| (2) |
есть средняя дрейфовая скорость электронов, пропорциональная приложенному полю.
При достаточно большом поле () кинетическая энергия электронов может возрасти больше, чем на 
, и они перейдут в верхнюю долину с большей эффективной массой, которой соответствует большая плотность состояний. При поле, большем , почти все электроны будут находиться в верхней долине. Соответственно, средняя дрейфовая скорость станет равной
| (3) |
Когда же поле таково, что часть электронов находится в верхней долине, а часть в нижней, плотность протекающего тока
| (4) |
где 
- общее число электронов проводимости, не зависящее от величины поля , а
| (5) |
То есть, при промежуточных значениях электрического поля скорость электронов при 
может уменьшаться с увеличением поля, если 
убывает быстрее, чем 
. Зависимость скорости электронов от поля 
для GaAs имеет вид, показанный на рис. 2.
|
|
|
Рис.2. Зависимость скорости электронов от электрического поля.
Падающему участку данной зависимости соответствует отрицательное дифференциальное сопротивление образца 
, которое, как показано, обусловлено механизмом междолинного перехода электронов в зоне проводимости. Наличие отрицательного дифференциального сопротивления согласно общей теории генераторов указывает на возможность генерации электрических колебаний.
Рассмотренный механизм Ридли-Уоткинса-Xилсума указывает также, что спонтанная осцилляция тока под действием приложенного сильного внешнего поля может быть получена в любом многодолинном полупроводнике, при условии, что долины имеют минимумы с разной энергией и соответствующие плотности состояний. Явление междолинного перехода электронов, как указывалось, становится возможным, когда к образцу приложено сильное электрическое поле, которое «разогревает» электроны, увеличивая их кинетическую энергию больше, чем на . Подвижность же носителей заряда для верхней долины значительно меньше (эффективная масса больше), чем для нижнего минимума (для GaAs, например, 
, 
).
Следовательно, в том месте образца, где электроны перешли в верхнюю долину, сопротивление становится выше, так как
| (6) |
(Для нижней и верхней долины i = 1, i = 2 соответственно).
Центром образования области повышенного сопротивления может стать любая локальная неоднородность в полупроводнике, так как электрическое поле около нее будет несколько больше, чем в однородной части.
Образование области повышенного сопротивления начинается с того, что под действием электрического поля, значение которого около неоднородности выше, электроны, находящиеся вблизи этой неоднородности переходят в более высокоэнергетическое состояние с меньшим значением подвижности 
.
Поскольку поле в диоде Ганна из-за неоднородностей распределено неравномерно, то с большой вероятностью можно ожидать, что на неоднородности поле превысит значение раньше, чем в остальной части диода. Скорость электронов в области неоднородности будет уменьшаться с дальнейшим увеличением поля в соответствии с зависимостью v(E), изображенной на рис. 2. Первоначальная область сильного электрического поля станет расширяться за счет того, что к замедлившимся на этом участке электронам, догоняя их, «притекут» электроны из области образца, находящийся между катодом и этой областью, и таким образом образуется избыточный отрицательный заряд в прикатодной области. «Легкие» электроны, находящиеся ближе к аноду (перед областью избыточного отрицательного заряда), будут «убегать» к аноду, вследствие чего на переднем фронте образуется избыточный положительный заряд. Таким образом, объемный заряд области возрастает, возрастает и поле в ней. Образовавшийся дипольный слой называется доменом.
|
|
|
Если внешнее напряжение, приложенное к диоду Ганна, остается неизменным, то с ростом домена поле вне его будет уменьшаться (
), уменьшается также и дрейфовая скорость 
электронов вне домена. Процесс увеличения объемного заряда, усиления электрического поля внутри домена продолжается до тех пор, пока скорости электронов внутри и вне домена не станут равными. Причем равенство установится при скорости, меньшей 
. После этого сформировавшийся домен сильного электрического поля дрейфует с постоянной скоростью к аноду и исчезает на нем. Затем образуется новый домен и процесс повторяется.
В стационарном режиме образуется всегда только один домен. Действительно, в области повышенного сопротивления поле будет больше, чем в однородной части. Поэтому поле вне домена всегда меньше критического .
Обычно формирование домена начинается вблизи контактов, так как именно в приконтактных областях сконцентрированы локальные неоднородности. Домен, который участвует в возникновении СВЧ колебаний, формируется преимущественно у катода. Если же центром образования области повышенного сопротивления стала неоднородность вблизи анода, то вырасти в домен за время 
дрейфа (где 
- расстояние от неоднородности до анода) эта область не успеет, и неоднородность электрического поля будет снесена на анод электронным потоком. Время формирования домена, возникающего у катода, ограничено большей величиной: . Поэтому при наличии контактных неоднородностей и у катода, и у анода центрами образования доменов станут участки повышенного поля именно вблизи катода.
|
|
|
При образовании домена плотность тока через образец уменьшается от
до 
, 
остается неизменной во время распространения домена по диоду Ганна, и при исчезновении домена на аноде плотность тока снова увеличивается до 
. Вслед за этим образуется новый домен и цикл повторяется. Таким образом, в цепи диода Ганна возникают периодические колебания тока.
Если время формирования и исчезновения домена значительно меньше времени его пролета вдоль образца (
), то и период возникающих колебаний тока примерно равен времени пролета 
. Осцилляции тока имеют форму периодических импульсов (рис. 3). Уменьшение тока от максимального 
до некоторого минимального значения 
происходит по мере формирования домена. Минимальное значение тока остается постоянным, пока домен перемещается к аноду. Распад домена на аноде сопровождается увеличенном тока до , после чего снова образуется новый домен. Период колебаний тока
.
Если длина образца 
, 
, то частота колебаний 
.
Рис.3. Колебания тока в цепи с диодом Ганна
|
|
|
