Расчет и проектирование диода Ганна

При помещении диода Ганна в резонатор возможны другие режимы генерации, при которых частота колебаний может быть сделана как ниже, так и выше пролетной частоты. Полупроводниковый диод- это полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом и двумя внешними выводами, в котором используется то или иное свойство выпрямляющего перехода. Слой умножения в диоде сравнительно широкий.


Диод Ганна традиционно представляет собой слой арсенида галлия с омическими контактами с обеих сторон. При движении напряжённость поля в этом слое будет непрерывно возрастать, а вне его — снижаться, пока не достигнет равновесного значения. В момент зарождения домена ток в диоде максимален. По мере формирования домена ток уменьшается и достигает своего минимума по окончании формирования.

Возникновение колебаний означает, что в кристалле полупроводника развивается неустойчивость. Резонатор, который может быть выполнен в виде волновода применяют для управления частотой. Наиболее часто используемым режимом является доменный режим при котором в течение большей части периода колебаний характерен режим существования домена.

Для диодов Ганна был так же предложен и осуществлен режим ограничения и накопления объёмного заряда. Однако, существуют определённые требования для реализации этого режима: полупроводниковый материал диода должен быть с очень однородным профилем легирования. Следует отметить, что некоторые из генераторных диодов при включении в определенных режимах могут использоваться и для усиления СВЧ сигналов.

Как было указано выше, в основе работы диода Ганна лежит сложное строение зоны проводимости полупроводника. Т.е. в результате перехода большого количества электронов в боковые долины уменьшается их средняя подвижность, а следовательно и средняя дрейфовая скорость. Это возможно только тогда, когда переход электронов из одной долины в другую будет достаточно резким. Наличие падающего участка на ВАХ полупроводникового прибора является необходимым, но не достаточным условием для возникновения в нем СВЧ колебаний (эффект Ганна).

При этом в области отрицательной дифференциальной проводимости равномерное распределение поля в объеме полупроводника неустойчиво. Распределение электрического поля в различные моменты времени, а также формы напряжения и тока диода, характерные для пролетного режима изображены на рис. 2.8-12, 2.8-13.

Частота генерируемых в пролетном режиме колебаний (пролетная частота) определяется в основном толщиной активной области кристалла (временем пролета доменов от катода к аноду): \(f_{пр} = 1/t_{пр}\). Режим с задержкой образования доменов реализуется, когда диод Ганна нагружен на параллельный резонансный контур, входное сопротивление (\(R_н\)) которого достаточно велико.

Новый домен образуется только после того, как мгновенное значение напряжения на диоде превысит пороговое. Практика работы с генераторами на диодах Ганна показывает, что рабочая частота в этом режиме может лежать в пределах от \(0,6 \cdot f_{пр}\) до \((1,5…2) \cdot f_{пр}\).

Для реализации режима ОНОЗ требуются специальные диоды Ганна со строго однородным профилем легирования (иначе ускоряется формирование домена). В итоге импульсная мощность, которую может отдавать диод Ганна в режиме ОНОЗ, оказывается на 2-3 порядка больше мощности любых других твердотельных источников колебаний.

При включении во внешнюю цепь такой диод Ганна образует отрицательную проводимость на пролетной частоте и ее гармониках. Диод Ганна, переведенный в такой режим, проявляет отрицательную проводимость в достаточно широком диапазоне частот.

Лавинно-пролетный диод может быть реализован в виде однопереходной \(p\)-\(n\)-структуры, представленной на рис. 2.8-16 (диод Тагера). Работа диода происходит в области обратных смещений. Как видно из рис. 2.8-16, где представлено распределение электрического поля в диоде при обратном смещении, электрическое поле в приконтактной области достигает максимума.

Смотреть что такое «Ганна диод» в других словарях:

Напряженность электрического поля в нем возрастает. Так как напряженность электрического поля в большей части перехода весьма велика, то скорость дрейфа носителей заряда практически постоянна, не зависит от поля и равна скорости насыщения. Но для этого необходимо, чтобы частота переменного напряжения допускала формирование сгустка в период ускоряющей фазы напряжения. В лавинно-пролетных диодах с несимметричным \(p\)-\(n\)-переходом чаще всего бывает одно пространство дрейфа — для электронов.

Генерируемые в слое умножения дырки почти сразу же захватываются \(p\)-областью и в энергообмене участия не принимают. Поэтому частотный диапазон таких ЛПД достаточно узок и определяется областью пролетной частоты.

Диод Тагера имеет также сравнительно узкую область лавинного умножения. Диод Мисавы аппроксимируется структурой, в которой поле близко к однородному. У диода Тагера максимум сопротивления сдвигается в сторону больших токов. Еще большие плотности тока необходимы для его оптимума в диоде Мисавы.

Лавинно-пролетный диод (ЛПД)

Для диода Рида оптимальное отрицательное сопротивление реализуется вблизи пролетной частоты. В диоде Тагера оптимальные фазовые условия на этой частоте не реализуются, поэтому максимум сопротивления в этой структуре ниже и по частоте расплывается.

Лавинно-пролетные диоды различных конструкций работают в нескольких основных режимах работы, зависящих как от добротности резонатора, так и от многих других факторов. Электронно-дырочные пары генерируются в этом режиме в слое лавинного умножения. Генерируемые дырки уходят в \(p\)-область, а электроны участвуют в энергообмене с полем. Такая ситуация наблюдается в диодах Рида и Тагера (с несимметричным \(p\)-\(n\)-переходом). Проводимость диода резко возрастает и через него в течение отрицательного полупериода “проталкивается” импульс тока большой величины.

Когда диод обладает такой повышенной проводимостью, напряжение на нем невелико и носители движутся не со скоростью насыщения, а значительно медленнее. Поэтому рассасывание носителей из объема диода происходит медленно и оканчивается к моменту перехода напряжения к положительному полупериоду. При этом генерация диода происходит на более низкой частоте. При помощи ЛПД могут генерироваться колебания мощностью до 12 Вт от одного прибора в сантиметровом диапазоне и порядка 0,1…1 Вт в миллиметровом.

В результате диод Ганна работает в многочастотном режиме . В иностранной же литературе диоду Ганна соответствует термин ТЭД (Transferred Electron Device). Разработка и расчет автогенератора на диоде Ганна с варакторной перестройкой частоты в заданном диапазоне.