Диод Ганна
Дио́д Га́нна — тип полупроводниковых диодов, не имеющих в структуре p-n-переходов, используется для генерации и преобразования колебаний в диапазоне СВЧ на частотах от 0,1 до 100 ГГц. Основан на эффекте Ганна — явлении осцилляций тока в многодолинном проводнике при приложении к нему сильного электрического поля, открытом Джоном Ганном в 1963 году.
В отличие от других типов диодов принцип действия диода Ганна основан не на процессах в p-n-переходе, то есть все его свойства определяются не эффектами, которые возникают в местах соединения двух различных полупроводников, а собственными нелинейными свойствами применяемого полупроводникового материала.
В советской литературе диоды Ганна называли приборами с объёмной неустойчивостью или с междолинным переносом электронов, так как активные свойства диодов обусловлены переходом электронов из «центральной» энергетической долины (минимума энергии) в «боковую» долину, где они уже имеют малую подвижность и большую эффективную массу. В иностранной литературе диод Ганна называют TED (Transferred Electron Device — прибор с переносом электронов).
На основе эффекта Ганна созданы генераторные и усилительные диоды, применяемые в качестве генераторов накачки в параметрических усилителях, гетеродинов в супергетеродинных приемниках, генераторов в маломощных передатчиках и в измерительной технике.
Конструкция и принцип действия
Диод Ганна традиционно представляет собой прямоугольную пластинку из арсенида галлия с омическими контактами с противоположных граней сторон. Активная часть диода Ганна — длина высокоомного слоя обычно имеет длину от 1 до 100 мкм с концентраций легирующих донорных примесей 1014—1016 см−3. В этом материале, в зоне проводимости, имеются два минимума энергии, которым соответствуют два состояния электронов — так называемые «тяжёлые» и «лёгкие» электроны. Поэтому с ростом напряжённости электрического поля средняя дрейфовая скорость электронов увеличивается до достижения полем некоторого критического значения, а затем уменьшается, стремясь к скорости насыщения.
Таким образом, если к диоду приложено напряжение, превышающее произведение критической напряжённости поля на толщину слоя арсенида галлия в диоде, однородное распределение напряжённости по толщине слоя становится неустойчиво. Тогда при возникновении даже в тонкой области небольшого увеличения напряжённости поля электроны, расположенные ближе к аноду, «отступят» от этой области к нему, так как менее подвижны, а электроны, расположенные у катода, будут пытаться «догнать» получившийся движущийся к аноду двойной слой зарядов. При движении напряжённость поля в этом слое будет непрерывно возрастать, а вне его — снижаться, пока не достигнет равновесного значения.
Такой движущийся двойной слой зарядов с высокой напряжённостью электрического поля внутри получил название домена сильного поля, а напряжение, при котором он возникает — порогового напряжения.
В момент зарождения домена ток через диод максимален. По мере формирования домена ток уменьшается и достигает своего минимума по окончании формирования. Достигая анода, домен разрушается, и ток снова возрастает. Но едва он достигнет максимума, у катода формируется новый домен. Частота, с которой этот процесс повторяется, обратно пропорциональна длине кристалла полупроводника, прямо пропорциональна скорости движения домена и называется пролётной частотой.
На полупроводникового прибора наличие падающего участка является недостаточным условием для возникновения в нём СВЧ колебаний, но необходимым. Возникновение колебаний означает, что в кристалле полупроводника развивается неустойчивость. Характер этой неустойчивости зависит от параметров полупроводника (профиля легирования кристалла, его размеров, концентрации носителей и т. д.).
При размещении диода Ганна в резонаторе возможны другие режимы генерации, при которых частота колебаний может быть сделана как ниже, так и выше пролётной частоты. Эффективность такого генератора относительно высока, но максимальная мощность не превышает 200—300 мВт.
Существенно влияние омических (невыпрямляющих) контактов к кристаллу. Для создания низкоомных омических контактов, необходимых для подвода тока для работы диодов Ганна существуют два подхода:
- первый из них заключается в выборе приемлемой технологии нанесения таких контактов непосредственно на высокоомный кристалл арсенида галлия;
- при втором подходе кристалл прибора выполняется многослойным. В диодах с такой структурой на слой высокоомного низколегированного арсенида галлия с электронным типом проводимости наращивают с обеих сторон эпитаксиальные слои низкоомного высоколегированного арсенида галлия с проводимостью n-типа. Эти высоколегированные слои служат переходными подложками от рабочей части кристалла к металлическим электродам.
Помимо арсенида галлия (GaAs) и фосфида индия (InP, используется на частотах до 170 ГГц) при изготовлении диодов используется эпитаксиальное наращивание, для изготовления диодов Ганна также применяется нитрид галлия (GaN). В диодах, изготовленных из этого материала была достигнута наиболее высокая частота колебаний — до 3 ТГц.
Применение
Диод Ганна может быть использован для создания генератора с частотами генерации от сотен килогерц до единиц терагерц. На частотах ниже 1 ГГц генераторы и усилители на диодах Ганна не имеют преимуществ по сравнению с традиционными генераторами, выполненными на транзисторах, и потому применяются редко. Частота генерации определяется в основном длиной пластинки полупроводника, но может быть перестроена в некотором диапазоне частот, обычно на 20—30 % от центральной частоты. Известны генераторы с диапазоном перестройки частоты 50 %.
На частотах использования диодов Ганна неэффективны традиционные колебательные контуры выполненные из катушек индуктивности и конденсаторах со сосредоточенными параметрами, поэтому резонаторы на этих частотах выполняют в виде коаксиальных конструкций, в виде отрезков волноводов или резонаторах на микрополосковых линиях.
Настройка частоты генерации и частоты усиления в таких системах производится как изменением геометрических размеров резонансных полостей, так и в небольших пределах электрически с помощью изменения питающего напряжения.
Диоды Ганна имеет низкий уровень амплитудного шума и низкое рабочее напряжение питания — от единиц до десятков вольт.
Срок службы генераторов Ганна относительно мал, что связано с одновременным воздействием на кристалл полупроводника таких факторов, как сильное электрическое поле и перегрев полупроводникового кристалла прибора выделяющейся в нём мощностью.
Режимы работы генераторов на диоде Ганна
Существуют несколько разных режимов использования генераторов на диоде Ганна в зависимости от питающего напряжения, температуры, характера нагрузки: доменный режим, гибридный режим, режим ограниченного накопления объемного заряда и режим отрицательной проводимости обеспечивающих генерацию в диапазоне частот 1—100 ГГц.
В непрерывном режиме генерации генераторы на диодах Ганна имеют КПД около 2—4 % и обеспечивают выходную мощность от единиц милливатт до единиц ватт. При использовании прибора в импульсном режиме с высокой скважностью КПД увеличивается в 2—3 раза. Специальные широкополосные резонансные системы позволяют добавить к мощности полезного выходного сигнала высшие гармоники колебаний и служат для увеличения КПД. Такой режим работы генератора называется релаксационным.
Наиболее часто используемым режимом является доменный режим при котором в течение большей части периода колебаний в кристалле существует домен. Доменный режим может быть реализован в трёх различных видах: пролётный, с задержкой образования доменов и с гашением доменов. Переход между этими видами происходит при изменении сопротивления нагрузки и питающего напряжения.
Для диодов Ганна был также предложен и осуществлён режим ограничения и накопления объёмного заряда. Этот режим имеет место при больших амплитудах напряжения на диоде и на частотах, в несколько раз больших пролётной частоты, и при средних постоянных напряжениях на диоде, которые в несколько раз превышают пороговое значение. Однако, существуют определённые требования для реализации этого режима: полупроводниковый материал диода должен быть с очень однородным профилем легирования. При этом однородное распределение электрического поля и концентрации электронов по длине образца обеспечивается за счёт большой скорости изменения напряжения на диоде.
Примечания
- Carlstrom J. E., Plambeck R. L. and Thornton D. D. A Continuously Tunable 65-115 GHz Gunn Oscillator, IEEE, 1985 [1]
Литература
- Аваев Н. А., Шишкин Г. Г. Электронные приборы. Издательство МАИ, 1996.
- Зи С. М. Физика полупроводниковых приборов (в 2 книгах). М., Мир, 1984, т. 2, с.226-269.
- Лебедев А. И. Физика полупроводниковых приборов. М., Физматлит, 2008.
- Кулешов В. Н., Удалов Н. Н., Богачев В. М. и др. Генерирование колебаний и формирование радиосигналов. — М.: МЭИ, 2008. — 416 с. — ISBN 978-5-383-00224-7.
Ссылки
- Модель диода Ганна Архивная копия от 17 октября 2010 на Wayback Machine программа с исходным кодом (C++, работает в Windows)
- Генераторные диоды Архивная копия от 8 ноября 2011 на Wayback Machine
- Ганна эффект // Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.
- Эффект Ганна Архивная копия от 17 июня 2013 на Wayback Machine
Википедия, чтение, книга, библиотека, поиск, нажмите, истории, книги, статьи, wikipedia, учить, информация, история, скачать, скачать бесплатно, mp3, видео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, картинка, музыка, песня, фильм, игра, игры, мобильный, телефон, Android, iOS, apple, мобильный телефон, Samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Сеть, компьютер, Информация о Диод Ганна, Что такое Диод Ганна? Что означает Диод Ганна?
U etogo termina sushestvuyut i drugie znacheniya sm Diod znacheniya Dio d Ga nna tip poluprovodnikovyh diodov ne imeyushih v strukture p n perehodov ispolzuetsya dlya generacii i preobrazovaniya kolebanij v diapazone SVCh na chastotah ot 0 1 do 100 GGc Osnovan na effekte Ganna yavlenii oscillyacij toka v mnogodolinnom provodnike pri prilozhenii k nemu silnogo elektricheskogo polya otkrytom Dzhonom Gannom v 1963 godu Diod Ganna v metallokeramicheskom korpuse proizvodstva SSSR na fone millimetrovoj setkiUslovnoe graficheskoe oboznachenie v shemah Diod Ganna na C diapazon Vidna zavodskaya upakovka s antistaticheskimi svincovymi kapsulami V otlichie ot drugih tipov diodov princip dejstviya dioda Ganna osnovan ne na processah v p n perehode to est vse ego svojstva opredelyayutsya ne effektami kotorye voznikayut v mestah soedineniya dvuh razlichnyh poluprovodnikov a sobstvennymi nelinejnymi svojstvami primenyaemogo poluprovodnikovogo materiala V sovetskoj literature diody Ganna nazyvali priborami s obyomnoj neustojchivostyu ili s mezhdolinnym perenosom elektronov tak kak aktivnye svojstva diodov obuslovleny perehodom elektronov iz centralnoj energeticheskoj doliny minimuma energii v bokovuyu dolinu gde oni uzhe imeyut maluyu podvizhnost i bolshuyu effektivnuyu massu V inostrannoj literature diod Ganna nazyvayut TED Transferred Electron Device pribor s perenosom elektronov Na osnove effekta Ganna sozdany generatornye i usilitelnye diody primenyaemye v kachestve generatorov nakachki v parametricheskih usilitelyah geterodinov v supergeterodinnyh priemnikah generatorov v malomoshnyh peredatchikah i v izmeritelnoj tehnike Konstrukciya i princip dejstviyaVolt ampernaya harakteristika dioda Ganna Diod Ganna tradicionno predstavlyaet soboj pryamougolnuyu plastinku iz arsenida galliya s omicheskimi kontaktami s protivopolozhnyh granej storon Aktivnaya chast dioda Ganna dlina vysokoomnogo sloya obychno imeet dlinu ot 1 do 100 mkm s koncentracij legiruyushih donornyh primesej 1014 1016 sm 3 V etom materiale v zone provodimosti imeyutsya dva minimuma energii kotorym sootvetstvuyut dva sostoyaniya elektronov tak nazyvaemye tyazhyolye i lyogkie elektrony Poetomu s rostom napryazhyonnosti elektricheskogo polya srednyaya drejfovaya skorost elektronov uvelichivaetsya do dostizheniya polem nekotorogo kriticheskogo znacheniya a zatem umenshaetsya stremyas k skorosti nasysheniya Takim obrazom esli k diodu prilozheno napryazhenie prevyshayushee proizvedenie kriticheskoj napryazhyonnosti polya na tolshinu sloya arsenida galliya v diode odnorodnoe raspredelenie napryazhyonnosti po tolshine sloya stanovitsya neustojchivo Togda pri vozniknovenii dazhe v tonkoj oblasti nebolshogo uvelicheniya napryazhyonnosti polya elektrony raspolozhennye blizhe k anodu otstupyat ot etoj oblasti k nemu tak kak menee podvizhny a elektrony raspolozhennye u katoda budut pytatsya dognat poluchivshijsya dvizhushijsya k anodu dvojnoj sloj zaryadov Pri dvizhenii napryazhyonnost polya v etom sloe budet nepreryvno vozrastat a vne ego snizhatsya poka ne dostignet ravnovesnogo znacheniya Takoj dvizhushijsya dvojnoj sloj zaryadov s vysokoj napryazhyonnostyu elektricheskogo polya vnutri poluchil nazvanie domena silnogo polya a napryazhenie pri kotorom on voznikaet porogovogo napryazheniya V moment zarozhdeniya domena tok cherez diod maksimalen Po mere formirovaniya domena tok umenshaetsya i dostigaet svoego minimuma po okonchanii formirovaniya Dostigaya anoda domen razrushaetsya i tok snova vozrastaet No edva on dostignet maksimuma u katoda formiruetsya novyj domen Chastota s kotoroj etot process povtoryaetsya obratno proporcionalna dline kristalla poluprovodnika pryamo proporcionalna skorosti dvizheniya domena i nazyvaetsya prolyotnoj chastotoj Na poluprovodnikovogo pribora nalichie padayushego uchastka yavlyaetsya nedostatochnym usloviem dlya vozniknoveniya v nyom SVCh kolebanij no neobhodimym Vozniknovenie kolebanij oznachaet chto v kristalle poluprovodnika razvivaetsya neustojchivost Harakter etoj neustojchivosti zavisit ot parametrov poluprovodnika profilya legirovaniya kristalla ego razmerov koncentracii nositelej i t d Pri razmeshenii dioda Ganna v rezonatore vozmozhny drugie rezhimy generacii pri kotoryh chastota kolebanij mozhet byt sdelana kak nizhe tak i vyshe prolyotnoj chastoty Effektivnost takogo generatora otnositelno vysoka no maksimalnaya moshnost ne prevyshaet 200 300 mVt Sushestvenno vliyanie omicheskih nevypryamlyayushih kontaktov k kristallu Dlya sozdaniya nizkoomnyh omicheskih kontaktov neobhodimyh dlya podvoda toka dlya raboty diodov Ganna sushestvuyut dva podhoda pervyj iz nih zaklyuchaetsya v vybore priemlemoj tehnologii naneseniya takih kontaktov neposredstvenno na vysokoomnyj kristall arsenida galliya pri vtorom podhode kristall pribora vypolnyaetsya mnogoslojnym V diodah s takoj strukturoj na sloj vysokoomnogo nizkolegirovannogo arsenida galliya s elektronnym tipom provodimosti narashivayut s obeih storon epitaksialnye sloi nizkoomnogo vysokolegirovannogo arsenida galliya s provodimostyu n tipa Eti vysokolegirovannye sloi sluzhat perehodnymi podlozhkami ot rabochej chasti kristalla k metallicheskim elektrodam Pomimo arsenida galliya GaAs i fosfida indiya InP ispolzuetsya na chastotah do 170 GGc pri izgotovlenii diodov ispolzuetsya epitaksialnoe narashivanie dlya izgotovleniya diodov Ganna takzhe primenyaetsya nitrid galliya GaN V diodah izgotovlennyh iz etogo materiala byla dostignuta naibolee vysokaya chastota kolebanij do 3 TGc PrimenenieGenerator na diode Ganna s koaksialnym rezonatorom Podstrojka chastoty generacii proizvoditsya peremesheniem zakorachivayushego porshnya Generator na diode Ganna s volnovodnym rezonatorom Podstrojka chastoty generacii proizvoditsya peremesheniem zakorachivayushego porshnya tonkaya podstrojka proizvoditsya vintom Konstrukciya geterodina na diode Ganna C diapazona Primenyon v MShU Obihod Diod Ganna mozhet byt ispolzovan dlya sozdaniya generatora s chastotami generacii ot soten kilogerc do edinic teragerc Na chastotah nizhe 1 GGc generatory i usiliteli na diodah Ganna ne imeyut preimushestv po sravneniyu s tradicionnymi generatorami vypolnennymi na tranzistorah i potomu primenyayutsya redko Chastota generacii opredelyaetsya v osnovnom dlinoj plastinki poluprovodnika no mozhet byt perestroena v nekotorom diapazone chastot obychno na 20 30 ot centralnoj chastoty Izvestny generatory s diapazonom perestrojki chastoty 50 Na chastotah ispolzovaniya diodov Ganna neeffektivny tradicionnye kolebatelnye kontury vypolnennye iz katushek induktivnosti i kondensatorah so sosredotochennymi parametrami poetomu rezonatory na etih chastotah vypolnyayut v vide koaksialnyh konstrukcij v vide otrezkov volnovodov ili rezonatorah na mikropoloskovyh liniyah Nastrojka chastoty generacii i chastoty usileniya v takih sistemah proizvoditsya kak izmeneniem geometricheskih razmerov rezonansnyh polostej tak i v nebolshih predelah elektricheski s pomoshyu izmeneniya pitayushego napryazheniya Diody Ganna imeet nizkij uroven amplitudnogo shuma i nizkoe rabochee napryazhenie pitaniya ot edinic do desyatkov volt Srok sluzhby generatorov Ganna otnositelno mal chto svyazano s odnovremennym vozdejstviem na kristall poluprovodnika takih faktorov kak silnoe elektricheskoe pole i peregrev poluprovodnikovogo kristalla pribora vydelyayushejsya v nyom moshnostyu Rezhimy raboty generatorov na diode Ganna Sushestvuyut neskolko raznyh rezhimov ispolzovaniya generatorov na diode Ganna v zavisimosti ot pitayushego napryazheniya temperatury haraktera nagruzki domennyj rezhim gibridnyj rezhim rezhim ogranichennogo nakopleniya obemnogo zaryada i rezhim otricatelnoj provodimosti obespechivayushih generaciyu v diapazone chastot 1 100 GGc V nepreryvnom rezhime generacii generatory na diodah Ganna imeyut KPD okolo 2 4 i obespechivayut vyhodnuyu moshnost ot edinic millivatt do edinic vatt Pri ispolzovanii pribora v impulsnom rezhime s vysokoj skvazhnostyu KPD uvelichivaetsya v 2 3 raza Specialnye shirokopolosnye rezonansnye sistemy pozvolyayut dobavit k moshnosti poleznogo vyhodnogo signala vysshie garmoniki kolebanij i sluzhat dlya uvelicheniya KPD Takoj rezhim raboty generatora nazyvaetsya relaksacionnym Naibolee chasto ispolzuemym rezhimom yavlyaetsya domennyj rezhim pri kotorom v techenie bolshej chasti perioda kolebanij v kristalle sushestvuet domen Domennyj rezhim mozhet byt realizovan v tryoh razlichnyh vidah prolyotnyj s zaderzhkoj obrazovaniya domenov i s gasheniem domenov Perehod mezhdu etimi vidami proishodit pri izmenenii soprotivleniya nagruzki i pitayushego napryazheniya Dlya diodov Ganna byl takzhe predlozhen i osushestvlyon rezhim ogranicheniya i nakopleniya obyomnogo zaryada Etot rezhim imeet mesto pri bolshih amplitudah napryazheniya na diode i na chastotah v neskolko raz bolshih prolyotnoj chastoty i pri srednih postoyannyh napryazheniyah na diode kotorye v neskolko raz prevyshayut porogovoe znachenie Odnako sushestvuyut opredelyonnye trebovaniya dlya realizacii etogo rezhima poluprovodnikovyj material dioda dolzhen byt s ochen odnorodnym profilem legirovaniya Pri etom odnorodnoe raspredelenie elektricheskogo polya i koncentracii elektronov po dline obrazca obespechivaetsya za schyot bolshoj skorosti izmeneniya napryazheniya na diode PrimechaniyaMediafajly na Vikisklade Carlstrom J E Plambeck R L and Thornton D D A Continuously Tunable 65 115 GHz Gunn Oscillator IEEE 1985 1 LiteraturaAvaev N A Shishkin G G Elektronnye pribory Izdatelstvo MAI 1996 Zi S M Fizika poluprovodnikovyh priborov v 2 knigah M Mir 1984 t 2 s 226 269 Lebedev A I Fizika poluprovodnikovyh priborov M Fizmatlit 2008 Kuleshov V N Udalov N N Bogachev V M i dr Generirovanie kolebanij i formirovanie radiosignalov M MEI 2008 416 s ISBN 978 5 383 00224 7 SsylkiModel dioda Ganna Arhivnaya kopiya ot 17 oktyabrya 2010 na Wayback Machine programma s ishodnym kodom C rabotaet v Windows Generatornye diody Arhivnaya kopiya ot 8 noyabrya 2011 na Wayback Machine Ganna effekt Bolshaya sovetskaya enciklopediya v 30 t gl red A M Prohorov 3 e izd M Sovetskaya enciklopediya 1969 1978 Effekt Ganna Arhivnaya kopiya ot 17 iyunya 2013 na Wayback Machine
