10.8. Диоды Ганна

Эффект, обнаруженный Ганном в 1963 г., заключается в том, что при

приложении к полупроводнику постоянного напряжения наблюдается возникновение электрических колебаний. Работа таких приборов основана на явлении междолинного перехода носителей заряда в полупроводниках. Рассмотрим это явление на примере арсенида галлия (GaAs) n-типа, энергетическая диаграмма которого показана на рис. 10.10.

GaAs относится к полупроводникам, имеющим «многодолинную» зонную структуру. В зоне проводимости имеются два минимума, эффективные массы электронов в которых составляют 0,072 в центральном минимуме и 1,2 в основном. Их подвижности так же резко отличаются: 6 и 10 см/В·с для легких и для тяжелых электронов соответственно.

Рис. 10.10. Энергетическая диаграмма (а) и зависимость плотности тока (б) через полупроводник с многодолинной структурой от напряженности электрического поля: 1 − при наличии электронов только с большой подвижностью, 2 − переходный участок, 3 − при наличии

электронов только с малой подвижностью

При малых напряженностях поля все электроны находятся в нижнем центральном минимуме. При увеличении внешнего напряжения электроны переходят в боковой минимум и из-за малой подвижности тяжелых электронов ток в цепи падает. При этом на вольт-амперной характеристике появляется участок с отрицательной дифференциальной проводимостью,

наличие которого приводит к неустойчивости протекания тока через полупроводник (рис. 10.10). На практике реализовать участок с

отрицательным дифференциальным сопротивлением в реальном приборе достаточно сложно, так как из-за неизбежных неоднородностей структуры не

происходит одновременного перехода большинства электронов из центральной долины в боковую.

Рассмотрим работу диода Ганна на примере структуры, показанной на рис. 10.11. Если в однородно легированном кристалле GaAs создать

191

электрическое поле с напряженностью несколько меньшей критического значения, при котором происходит образование тяжелых электронов, через кристалл будет протекать электрический ток, создаваемый только носителями с высоким значением подвижности. Так как реальный кристалл всегда имеет определенные дефекты в приконтактных областях, то в

результате на локальном участке напряженность может превысить критическое значение и образуется небольшая область, содержащая тяжелые носители. Из-за разности в подвижностях тяжелые носители будут отставать от легких, образуя перед собой область некоторого положительного заряда.

а) б)

Рис. 10.11. Одномерная модель диода Ганна (а) и распределение электронов в кристалле после формирования домена (б)

Таким образом в кристалле полупроводника образуется область с повышенным сопротивлением (домен), перемещающаяся от катода к аноду (рис. 10.11, а). При достижении анода домен разрушается, а в прикатодной области образуется новый домен и цикл повторяется. Временная диаграмма тока (рис. 10.12) показывает, что диод Ганна может быть использован в качестве генератора.

jпорj

Рис. 10.12. Временная диаграмма тока, протекающего через диод Ганна

Частота генерации диода Ганна зависят только от длины образца. Для того чтобы домен мог сформироваться, необходимо, чтобы время пролета домена от катода к аноду было больше времени его образования, то есть

192

где n0 − общая концентрация электронов, μ2 − подвижность тяжелых электронов, V0 − скорость движения домена, L − расстояние между катодом и анодом.

При невыполнении условия (10.5) колебания не возникают и диод Ганна работает как прибор с отрицательным электрическим сопротивлением, который может использоваться для усиления СВЧ колебаний. В настоящее время диоды Ганна используются как СВЧ-генераторы в диапазоне 1−90 ГГц.

10.9. Лавинно-пролетные диоды

Лавинно-пролетные диоды широко применяются в качестве генераторов

СВЧ колебаний. Рассмотрим работу такого диода на примере структуры р+-n-i-n+.

На диод подается обратное напряжение, на несколько порядков меньшее напряжения лавинного пробоя. Амплитуда переменного сигнала подбирается такой, чтобы суммарное напряжение превышало пробойное, поэтому в

положительный полупериод в переходе происходит лавинная генерация электронно-дырочных пар. Носители заряда, генерируемые в обратносмещенном р+-n переходе, разделяются полем последнего и дрейфуют в нем. Электроны и дырки дрейфуют от области перехода до п+- и р+-областей соответственно. При этом время дрейфа электронов значительно больше пути и времени дрейфа дырок. Геометрические размеры p+-n-i-n+ структуры и приложенное обратное напряжение выбирают так, чтобы область пространственного заряда занимала практически всю область п-типа и по всему i-слою напряженность поля была меньше критической, но выше напряженности, обеспечивающей насыщение скорости дрейфа. В результате все дрейфующие в I-области электроны будут иметь практически одинаковые скорости дрейфа, близкие к насыщению, и размытие пакетов дрейфующих электронов будет незначительным.

За время дрейфа электронов 1/2 Т (Т − период колебания электрического поля) времени электроны движутся в замедляющем поле и 1/4 Т − в ускоряющем. Поэтому активное дифференциальное сопротивление диода в целом отрицательно и максимально при времени пролета электронов 3/4 Т.

Время пролета пакета электронов через область дрейфа будет определять диапазон частот, в котором возможна работа диода.

193

Как всякий прибор с отрицательным сопротивлением, лавинно- пролетный диод может использоваться как генератор. Рабочий диапазон частот составляет 0,5–50 ГГц.

Контрольные вопросы

1.Определите различия прямых ветвей ВАХ низковольтных и высоковольтных диодов, рассчитанных на одинаковые прямые предельные токи.

2.Почему импульсные диоды по сравнению с выпрямительными имеют повышенное значение статического обратного тока при прочих равных параметрах?

3.Как влияет процесс рекомбинации носителей в п-р переходе на его вольт-амперную характеристику.

4.Отношение тока максимума к току минимума у одного туннельного диода равно 5, а у другого – 12. У какого из них более ярко выражен отрицательный участок характеристики?

5.Какой материал предпочтительнее для изготовления диодов с минимальным прямым падением напряжения и почему?

6.Как изменяется коэффициент инжекции при увеличении удельного сопротивления базы?

7.Можно ли повлиять на значение диффузионной емкости, уменьшая среднее время жизни носителей?

8.Почему варикапы должны работать только при приложении к ним обратного постоянного смещения?

9.Как влияют процессы накопления неосновных носителей в базе диода на его работу при быстром изменении напряжения или тока?

10.Как зависит напряжение стабилизации стабилитрона от концентрации примесей в базе?

11.Объясните появление отрицательного дифференциального сопротивления туннeльного диода.

12.Как изменяется напряжение пробоя диода при лавинном и туннельном пробоях с увеличением температуры?

ЗАДАЧИ И ЗАДАНИЯ для практических занятий и самостоятельной работы

1.Диоды, смещенные в обратном направлении, часто используют в качестве переменных конденсаторов. Вычислите, как уменьшается

барьерная емкость диода с резким переходом при увеличении модуля напряжения смещения на 1В, если известно, что при U = 5 В, Сбар =

20 пФ.

2.2. Определить ток насыщения идеализированного диода, если при

прямом напряжении Uпр = 0,1 В, ток Iпр = 1,4 мА. Температура комнатная.

194