Эффект Ганна и его использование, в диодах, работающих в генераторном режиме

| Категория реферата: Рефераты по радиоэлектронике
| Теги реферата: сочинение рассказ, зимнее сочинение
| Добавил(а) на сайт: Wetinin.

[pic]; (3)

[pic]. (4)

Рис.4. Эквивалентная схема генератора на диоде Ганна (а) и временные зависимости напряжения (б) и тока через диод Ганна в пролетном режиме (в) и в режимах с задержкой (г) и гашением домена (д).
Мгновенное напряжение на диоде [pic]. Полный ток не зависит от координаты и является функцией времени. Часто коэффициент диффузии [pic] считают не зависящим от электрического поля.

В зависимости от параметров диода (степени и профиля легирования материала, длины и площади сечения образца и его температуры), а также от напряжения питания и свойств нагрузки диод Ганна, как генератор и усилитель
СВЧ-диапазона, может работать в различных режимах: доменных, ограничения накопления объемного заряда (ОНОЗ, в иностранной литературе LSA–Limited
Space Charge Accumulation), гибридном, бегущих волн объемного заряда, отрицательной проводимости.

Доменные режимы работы.

Для доменных режимов работы диода Ганна характерно наличие в образце сформировавшегося дипольного домена в течение значительной части периода колебаний. Характеристики стационарного дипольного домена подробно рассмотрены в [?], где показано, что из (1), (3) и (4) следует, что скорость домена [pic] и максимальная напряженность поля в нем [pic] связаны правилом равных площадей

[pic]. (5)

В соответствии с (5) площади, заштрихованные на рис.5, а и ограниченные линиями [pic], являются одинаковыми. Как видно из рисунка, максимальная напряженность поля [pic] в домене значительно превышает поле
[pic] вне домена и может достигать десятков кВ/см.

Рис.5. К определению параметров дипольного домена.
На рис.5, б приведена зависимость напряжения домена [pic] от напряженности электрического поля вне его, где [pic]–длина домена (рис.3, в). Там же построена «приборная прямая» диода длиной [pic] при заданном напряжении
[pic] с учетом того, что полное напряжение на диоде [pic]. Точка пересечения А определяет напряжение домена [pic] и напряженность поля вне его [pic]. Следует иметь в виду, что домен возникает при постоянном напряжении [pic], однако он может существовать и тогда, когда в процессе движения домена к аноду напряжение на диоде уменьшается до значения [pic]
(пунктирная линия на рис.5, б). Если еще более понизить напряжение на диоде так, что оно станет меньше напряжения гашения домена [pic], возникший домен рассасывается. Напряжение гашения соответствует моменту касания «приборной прямой» к линии [pic] на рис.5, б.

Таким образом, напряжение исчезновения домена оказывается меньше порогового напряжения формирования домена. Как видно из рис.5, вследствие резкой зависимости избыточного напряжения на домене от напряженности поля вне домена поле вне домена и скорость домена мало изменяются при изменении напряжения на диоде. Избыточное напряжение поглощается в основном в домене.
Уже при [pic] скорость домена лишь немного отличается от скорости насыщения и можно приближенно считать [pic], а [pic], поэтому пролетная частота, как характеристика диода, обычно определяется выражением:

[pic] (6)

Длина домена зависит от концентрации донорной примеси, а также от напряжения на диоде и при [pic]составляет 5–10 мкм. Уменьшение концентрации примеси приводит к расширению домена за счет увеличения обедненного слоя.
Формирование домена происходит за конечное время [pic] и связано с установлением отрицательной дифференциальной проводимости и с нарастанием объемного заряда. Постоянная времени нарастания объемного заряда в режиме малого возмущения равна постоянной диэлектрической релаксации [pic]и определяется отрицательной дифференциальной подвижностью [pic]и концентрацией электронов [pic]. При максимальном значении [pic], тогда как время установления ОДП менее [pic]. Таким образом, время формирования домена определяется в значительной степени процессом перераспределения объемного заряда. Оно зависит от начальной неоднородности поля, уровня легирования и приложенного напряжения.

Рис6. Диод Ганна.

Приближенно считают, что Домен успеет полностью сформироваться за время:

[pic], (7)

где [pic] выражено в [pic]. Говорить о доменных режимах имеет смысл только в том случае, если домен успеет сформироваться за время пролета электронов в образце [pic]. Отсюда условием существования дипольного домена является
[pic] или [pic].

Значение произведения концентрации электронов на длину образца [pic] называют критическим и обозначают [pic]. Это значение является границей доменных режимов диода Ганна и режимов с устойчивым распределением электрического поля в однородно легированном образце. При [pic] домен сильного поля не образуется и образец называют стабильным. При [pic] возможны различные доменные режимы. Критерий типа [pic] справедлив, строго говоря, только для структур, у которых длина активного слоя между катодом и анодом много меньше поперечных размеров: [pic] (рис.6, а), что соответствует одномерной задаче и характерно для планарных и мезаструктур.
У тонкопленочных структур (рис.6, б) эпитаксиальный активный слой GaAs 1 длиной [pic] может быть расположен между высокоомной подложкой 3 и изолирующей диэлектрической пленкой 2, выполненной, например, из SiO2.
Омические анодный и катодный контакты изготовляют методами фотолитографии.
Поперечный размер диода [pic] может быть сравним с его длиной [pic]. В этом случае образующиеся при формировании домена объемные заряды создают внутренние электрические поля, имеющие не только продольную компоненту
[pic], но и поперечную компоненту [pic] (рис.6, в). Это приводит к уменьшению поля по сравнению с одномерной задачей. При малой толщине активной пленки, когда [pic], критерий отсутствия доменной неустойчивости
[pic] заменяется на условие [pic]. Для таких структур [pic] при устойчивом распределении электрического поля может быть больше [pic].

Время формирования домена не должно превышать полупериода СВЧ- колебаний. Поэтому имеется и второе условие существования движущегося домена [pic], из которого с учетом (1) получаем [pic].

В зависимости от соотношения времени пролета и периода СВЧ-колебаний, а также от значений постоянного напряжения [pic] и амплитуды высокочастотного напряжения [pic] могут быть реализованы следующие доменные режимы: пролетный, режим с задержкой домена, режим с подавлением (гашением) домена. Процессы, происходящие в этих режимах, рассмотрим для случая работы диода Ганна на нагрузку в виде параллельного колебательного контура с активным сопротивлением [pic] на резонансной частоте и питанием диода от генератора напряжения с малым внутренним сопротивлением (см. рис.4,а). При этом напряжение на диоде изменяется по синусоидальному закону. Генерация возможна при [pic].

При малом сопротивлении нагрузки, когда [pic], где
[pic]–сопротивление диода Ганна в слабых полях, амплитуда высокочастотного напряжения [pic] невелика и мгновенное напряжение на диоде превышает пороговое значение (см. рис.4,б кривая 1). Здесь имеет место рассмотренный ранее пролетный режим, когда после формирования домена ток через диод остается постоянным и равным [pic] (см. рис. 9.39, в). При исчезновении домена ток возрастает до [pic]. Для GaAs [pic]. Частота колебаний в пролетном режиме равна [pic]. Так как отношение [pic] мало, к.п.д. генераторов на диоде Ганна, работающих в пролетном режиме, невелик и этот режим обычно не имеет практического применения.

При работе диода на контур с высоким сопротивлением, когда [pic], амплитуда переменного напряжения [pic] может быть достаточно большой, так что в течение некоторой части периода мгновенное напряжение на диоде становится меньше порогового (соответствует кривой 2 на рис.4,б). В этом случае говорят о режиме с задержкой формирования домена. Домен образуется, когда напряжение на диоде превышает пороговое, т. е. в момент времени
[pic](см. рис.4, г). После образования домена ток диода уменьшается до
[pic] и остается таким в течение времени пролета [pic] домена. При исчезновении домена на аноде в момент времени [pic] напряжение на диоде меньше порогового и диод представляет собой активное сопротивление [pic].
Изменение тока пропорционально напряжению на диоде до момента [pic], когда ток достигает максимального значения [pic], а напряжение на диоде равно пороговому. Начинается образование нового домена, и весь процесс повторяется. Длительность импульса тока равна времени запаздывания образования нового домена [pic]. Время формирования домена считается малым по сравнению с [pic] и [pic]. Очевидно, что такой режим возможен, если время пролета находится в пределах [pic] и частота генерируемых колебаний составляет [pic].

При еще большей амплитуде высокочастотного напряжения, соответствующей кривой 3 на рис.4,б, минимальное напряжение на диоде может оказаться меньше напряжения гашения диода [pic].В этом случае имеет место режим с гашением домена (см. рис.4, д). Домен образуется в момент времени
[pic] и рассасывается в момент времени [pic], когда [pic].Новый домен начинает формироваться после того, как напряжение превысит пороговое значение. Поскольку исчезновение домена не связано с достижением им анода, время пролета электронов между катодом и анодом в режиме гашения домена может превышать период колебаний: [pic]. Таким образом, в режиме гашения
[pic]. Верхний предел генерируемых частот ограничен условием [pic] и может составлять [pic].

Электронный к.п.д. генераторов на диодах Ганна, работающих в доменных режимах, можно определить, раскладывая в ряд Фурье функцию тока [pic] (см. рис.4) для нахождения амплитуды первой гармоники и постоянной составляющей тока. Значение к.п.д. зависит от отношений [pic], [pic], [pic], [pic] и при оптимальном значении [pic] не превышает для диодов из GaAs 6% в режиме с задержкой домена. Электронный к.п.д. в режиме с гашением домена меньше, чем в режиме с задержкой домена.

Режим ОНОЗ.

Несколько позднее доменных режимов был предложен и осуществлен для диодов Ганна режим ограничения накопления объемного заряда. Он существует при постоянных напряжениях на диоде, в несколько раз превышающих пороговое значение, и больших амплитудах напряжения на частотах, в несколько раз больших пролетной частоты. Для реализации режима ОНОЗ требуются диоды с очень однородным профилем легирования. Однородное распределение электрического поля и концентрации электронов по длине образца обеспечивается за счет большой скорости изменения напряжения на диоде. Если промежуток времени, в течение которого напряженность электрического поля проходит область ОДП характеристики [pic], много меньше времени формирования домена [pic], то не происходит заметного перераспределения поля и объемного заряда по длине диода. Скорость электронов во всем образце
«следует» за изменением электрического поля, а ток через диод определяется зависимостью скорости от поля (рис.7).