Диод Ганна

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

Эффект, применяемый в диодах Ганна, проявляется в особом классе полупроводниковх веществ – многодолинных полупроводниках. Чаще всего диоды
Ганна изготавливаются на основе арсенида галлия (GaAs), поэтому в данной работе он и берется за основу. Арсенид галлия – двухдолинный полупроводник, имеющий разность энергий между долинами в 0,36 Эв. При этом, из-за различия эффективных масс в разных долинах, зависимость скорости электронов от величины приложенного поля такова:

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.

Уравнение Пуассона.

Тут n1,2 – концентрация свобоных электронов в нижней и верхней долине соответственно; Е – напряженность электрического поля; n0 – концентрация неподвижных доноров.

Уравнения сохранения заряда для нижней и верхней долины соответственно:

Тут u1,2 – скорость потока электронов в верхней и нижней долинах соответственно; t12 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 E1 – 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; n1u 1E – скорость разогрева электронов полем.

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

где Е0 – энергия, соответствующая температуре решетки; te1 – время релаксации электронов по энергии.

Появление в данной формуле ? связано с тем, что из нижней долины в верхнюю могут попасть только высокоэнергетичные электроны с энергией, большей ?.

Если предположить, что распределение электронов в нижней долине характеризуется статистикой Максвелла, когда и обозначить в качестве температуры (в вольтах) величину то окончательно уравнение закона сохранения энергии в нижней долине примет вид:

В верхней долине температура электронов принимается равной Т2=Т0.

Статическая температурная модель