Диод Ганна

Дио́д Га́нна (изобретён Джоном Ганном в 1963 году) — тип полупроводниковых диодов, в полупроводниковой структуре не имеет p-n-переходов и используется для генерации и преобразования колебаний в диапазоне СВЧ на частотах от 0,1 до 100 ГГц.

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 отечественной литературе диоды Ганна называли приборами с объемной неустойчивостью или с междолинным переносом электронов, так как активные свойства диодов обусловлены переходом электронов из «центральной» энергетической долины в «боковую», где они уже могут характеризоваться малой подвижностью и большой эффективной массой. В иностранной же литературе диоду Ганна соответствует термин ТЭД (Transferred Electron Device).

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 слой арсенида галлия с омическими контактами с обеих сторон. Активная часть диода Ганна обычно имеет длину от l 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 — «тяжёлые» и «лёгкие». В связи с этим 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, равномерное 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, 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.

В момент зарождения домена ток в диоде 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 толщине слоя полупроводника и называется пролетной частотой.

На ВАХ 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 помещении диода Ганна в резонатор возможны другие режимы генерации, при которых частота колебаний может быть сделана как ниже, так и выше пролетной частоты. Эффективность такого генератора относительно высока, но максимальная мощность не превышает 200—300 мВт.

Существенно влияние омических (невыпрямляющих) контактов к кристаллу. Для выполнения 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 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.

Применение

Диод Ганна может быть использован для создания генератора в 10 ГГц и выше (вплоть до ТГц) диапазона частот. Резонатор, который может быть выполнен в виде волновода применяют для управления частотой.

Частота генераторов на диоде Ганна определяется в основном резонансной частотой колебательной системы с учетом ёмкостной проводимости диода и может перестраиваться в относительно широких пределах механическими (с помощью изменения геометрических размеров резонатора) и электрическими методами.

Однако, 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 мощности.

Диоды Ганна, работающие в различных режимах, используются 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 мВт до единиц Вт. Но, при использовании прибора в импульсном режиме КПД увеличивается в 2—3 раза. Специальные широкополосные резонансные системы позволяют добавить в мощность полезного выходного сигнала высшие гармоники и служат для увеличения КПД. Такой режим работы генератора называется релаксационным.

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.

Наиболее часто используемым режимом является доменный режим при котором в течение большей части периода колебаний характерен режим существования домена. 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.

Для диодов Ганна был так же предложен и осуществлен режим ограничения и накопления объёмного заряда. Этот режим имеет место при больших амплитудах напряжения на диоде и на частотах, в несколько раз больших пролетной 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 счет большой скорости изменения напряжения на диоде.

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 — 3 ТГц.

Диод Ганна имеет низкий уровень амплитудного шума и низкое рабочее напряжение питания (от единиц до десятков В).

При использовании диоды монтируются в резонансных камерах, выполненных на поверхности микросхем с диэлектрическими подложками в комбинации с ёмкостными и индуктивными компонентами, либо используются в виде комбинации внешних резонаторов и микросхем.

См. также

• Полупроводниковые приборы
• Эффект Ганна

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

• [cpp.in.ua/2009/12/model-dioda-ganna/ Модель диода Ганна] программа с исходным кодом (С++, работает в Windows)
• [www.club155.ru/diods-uhf-generator Генераторные диоды]
• [dic.academic.ru/dic.nsf/bse/77544/%D0%93%D0%B0%D0%BD%D0%BD%D0%B0 Эффект Ганна] в Большой советской энциклопедии.
• [www.radioland.net.ua/contentid-362-page1.html Эффект Ганна]

Отрывок, характеризующий Диод Ганна

– Что это? Ты как думаешь? – обратился Ростов к гусару, стоявшему подле него. – Ведь это у неприятеля?
Гусар ничего не ответил.
– Что ж, ты разве не слышишь? – довольно долго подождав ответа, опять спросил Ростов.
– А кто ё знает, ваше благородие, – неохотно отвечал гусар.
– По месту должно быть неприятель? – опять повторил Ростов.
– Може он, а може, и так, – проговорил гусар, – дело ночное. Ну! шали! – крикнул он на свою лошадь, шевелившуюся под ним.
Лошадь Ростова тоже торопилась, била ногой по мерзлой земле, прислушиваясь к звукам и приглядываясь к огням. Крики голосов всё усиливались и усиливались и слились в общий гул, который могла произвести только несколько тысячная армия. Огни больше и больше распространялись, вероятно, по линии французского лагеря. Ростову уже не хотелось спать. Веселые, торжествующие крики в неприятельской армии возбудительно действовали на него: Vive l'empereur, l'empereur! [Да здравствует император, император!] уже ясно слышалось теперь Ростову.
– А недалеко, – должно быть, за ручьем? – сказал он стоявшему подле него гусару.
Гусар только вздохнул, ничего не отвечая, и прокашлялся сердито. По линии гусар послышался топот ехавшего рысью конного, и из ночного тумана вдруг выросла, представляясь громадным слоном, фигура гусарского унтер офицера.
– Ваше благородие, генералы! – сказал унтер офицер, подъезжая к Ростову.
Ростов, продолжая оглядываться на огни и крики, поехал с унтер офицером навстречу нескольким верховым, ехавшим по линии. Один был на белой лошади. Князь Багратион с князем Долгоруковым и адъютантами выехали посмотреть на странное явление огней и криков в неприятельской армии. Ростов, подъехав к Багратиону, рапортовал ему и присоединился к адъютантам, прислушиваясь к тому, что говорили генералы.
– Поверьте, – говорил князь Долгоруков, обращаясь к Багратиону, – что это больше ничего как хитрость: он отступил и в арьергарде велел зажечь огни и шуметь, чтобы обмануть нас.
– Едва ли, – сказал Багратион, – с вечера я их видел на том бугре; коли ушли, так и оттуда снялись. Г. офицер, – обратился князь Багратион к Ростову, – стоят там еще его фланкёры?
– С вечера стояли, а теперь не могу знать, ваше сиятельство. Прикажите, я съезжу с гусарами, – сказал Ростов.
Багратион остановился и, не отвечая, в тумане старался разглядеть лицо Ростова.
– А что ж, посмотрите, – сказал он, помолчав немного.
– Слушаю с.
Ростов дал шпоры лошади, окликнул унтер офицера Федченку и еще двух гусар, приказал им ехать за собою и рысью поехал под гору по направлению к продолжавшимся крикам. Ростову и жутко и весело было ехать одному с тремя гусарами туда, в эту таинственную и опасную туманную даль, где никто не был прежде его. Багратион закричал ему с горы, чтобы он не ездил дальше ручья, но Ростов сделал вид, как будто не слыхал его слов, и, не останавливаясь, ехал дальше и дальше, беспрестанно обманываясь, принимая кусты за деревья и рытвины за людей и беспрестанно объясняя свои обманы. Спустившись рысью под гору, он уже не видал ни наших, ни неприятельских огней, но громче, яснее слышал крики французов. В лощине он увидал перед собой что то вроде реки, но когда он доехал до нее, он узнал проезженную дорогу. Выехав на дорогу, он придержал лошадь в нерешительности: ехать по ней, или пересечь ее и ехать по черному полю в гору. Ехать по светлевшей в тумане дороге было безопаснее, потому что скорее можно было рассмотреть людей. «Пошел за мной», проговорил он, пересек дорогу и стал подниматься галопом на гору, к тому месту, где с вечера стоял французский пикет.
– Ваше благородие, вот он! – проговорил сзади один из гусар.
И не успел еще Ростов разглядеть что то, вдруг зачерневшееся в тумане, как блеснул огонек, щелкнул выстрел, и пуля, как будто жалуясь на что то, зажужжала высоко в тумане и вылетела из слуха. Другое ружье не выстрелило, но блеснул огонек на полке. Ростов повернул лошадь и галопом поехал назад. Еще раздались в разных промежутках четыре выстрела, и на разные тоны запели пули где то в тумане. Ростов придержал лошадь, повеселевшую так же, как он, от выстрелов, и поехал шагом. «Ну ка еще, ну ка еще!» говорил в его душе какой то веселый голос. Но выстрелов больше не было.
Только подъезжая к Багратиону, Ростов опять пустил свою лошадь в галоп и, держа руку у козырька, подъехал к нему.
Долгоруков всё настаивал на своем мнении, что французы отступили и только для того, чтобы обмануть нас, разложили огни.
– Что же это доказывает? – говорил он в то время, как Ростов подъехал к ним. – Они могли отступить и оставить пикеты.
– Видно, еще не все ушли, князь, – сказал Багратион. – До завтрашнего утра, завтра всё узнаем.
– На горе пикет, ваше сиятельство, всё там же, где был с вечера, – доложил Ростов, нагибаясь вперед, держа руку у козырька и не в силах удержать улыбку веселья, вызванного в нем его поездкой и, главное, звуками пуль.
– Хорошо, хорошо, – сказал Багратион, – благодарю вас, г. офицер.
– Ваше сиятельство, – сказал Ростов, – позвольте вас просить.
– Что такое?
– Завтра эскадрон наш назначен в резервы; позвольте вас просить прикомандировать меня к 1 му эскадрону.
– Как фамилия?
– Граф Ростов.
– А, хорошо. Оставайся при мне ординарцем.
– Ильи Андреича сын? – сказал Долгоруков.
Но Ростов не отвечал ему.
– Так я буду надеяться, ваше сиятельство.
– Я прикажу.
«Завтра, очень может быть, пошлют с каким нибудь приказанием к государю, – подумал он. – Слава Богу».

Крики и огни в неприятельской армии происходили оттого, что в то время, как по войскам читали приказ Наполеона, сам император верхом объезжал свои бивуаки. Солдаты, увидав императора, зажигали пуки соломы и с криками: vive l'empereur! бежали за ним. Приказ Наполеона был следующий:
«Солдаты! Русская армия выходит против вас, чтобы отмстить за австрийскую, ульмскую армию. Это те же баталионы, которые вы разбили при Голлабрунне и которые вы с тех пор преследовали постоянно до этого места. Позиции, которые мы занимаем, – могущественны, и пока они будут итти, чтоб обойти меня справа, они выставят мне фланг! Солдаты! Я сам буду руководить вашими баталионами. Я буду держаться далеко от огня, если вы, с вашей обычной храбростью, внесете в ряды неприятельские беспорядок и смятение; но если победа будет хоть одну минуту сомнительна, вы увидите вашего императора, подвергающегося первым ударам неприятеля, потому что не может быть колебания в победе, особенно в тот день, в который идет речь о чести французской пехоты, которая так необходима для чести своей нации.
Под предлогом увода раненых не расстроивать ряда! Каждый да будет вполне проникнут мыслию, что надо победить этих наемников Англии, воодушевленных такою ненавистью против нашей нации. Эта победа окончит наш поход, и мы можем возвратиться на зимние квартиры, где застанут нас новые французские войска, которые формируются во Франции; и тогда мир, который я заключу, будет достоин моего народа, вас и меня.
Наполеон».


В 5 часов утра еще было совсем темно. Войска центра, резервов и правый фланг Багратиона стояли еще неподвижно; но на левом фланге колонны пехоты, кавалерии и артиллерии, долженствовавшие первые спуститься с высот, для того чтобы атаковать французский правый фланг и отбросить его, по диспозиции, в Богемские горы, уже зашевелились и начали подниматься с своих ночлегов. Дым от костров, в которые бросали всё лишнее, ел глаза. Было холодно и темно. Офицеры торопливо пили чай и завтракали, солдаты пережевывали сухари, отбивали ногами дробь, согреваясь, и стекались против огней, бросая в дрова остатки балаганов, стулья, столы, колеса, кадушки, всё лишнее, что нельзя было увезти с собою. Австрийские колонновожатые сновали между русскими войсками и служили предвестниками выступления. Как только показывался австрийский офицер около стоянки полкового командира, полк начинал шевелиться: солдаты сбегались от костров, прятали в голенища трубочки, мешочки в повозки, разбирали ружья и строились. Офицеры застегивались, надевали шпаги и ранцы и, покрикивая, обходили ряды; обозные и денщики запрягали, укладывали и увязывали повозки. Адъютанты, батальонные и полковые командиры садились верхами, крестились, отдавали последние приказания, наставления и поручения остающимся обозным, и звучал однообразный топот тысячей ног. Колонны двигались, не зная куда и не видя от окружавших людей, от дыма и от усиливающегося тумана ни той местности, из которой они выходили, ни той, в которую они вступали.