ПРИНЦИП РАБОТЫ И УСТРОЙСТВО ДИОДОВ ГАННА

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФАКУЛЬТЕТ РАДИОФИЗИКИ И КОМПЬЮТЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ

Методические указания к лабораторной работе

ИЗУЧЕНИЕ ЭФФЕКТА ГАННА

 

Минск

СОДЕРЖАНИЕ

 

1. Цель и задачи работы

2. Эффект Ганна. Принцип работы и устройство диодов Ганна

3. Описание и работа установки

4. Методические указания по выполнению заданий

5. Указания по оформлению отчета

6. Контрольные вопросы

7. Список использованной литературы

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ

Цель работы

Целью работы является изучение эффекта Ганна, принципов работы СВЧ диодов на его основе и установление взаимосвязи между вольтамперными характеристиками диодов и выходными энергетическими параметрами.

Подготовка и задание к работе

· изучить методические указания к лабораторной работе, обратив внимание на физическую сущность эффекта Ганна, устройство диода Ганна;

· ознакомиться с работой установки для измерений ВАХ;

· снять вольтамперную характеристику диода Ганна;

· рассчитать отрицательное дифференциальное сопротивление диода.

 

ЭФФЕКТ ГАННА

ПРИНЦИП РАБОТЫ И УСТРОЙСТВО ДИОДОВ ГАННА

Эффект Ганна был обнаружен в 1963 году сотрудником фирмы IBM Дж. Ганном в GaAs n-типа. В настоящее время он широко используется в полупроводниковой СВЧ-электронике, в частности, для генерирования СВЧ колебаний [1-5].

2.1. Физическая сущность эффекта Ганна

Сущность эффекта Ганна заключается в возникновении спонтанных осцилляций тока (СВЧ-колебаний) в объеме однородного полупроводникового образца при приложении к нему постоянного электрического поля, большего некоторого порогового значения (критическое значение поля = 3,5 кВ/см для GaAs и = 6 кВ/см для InP).

Объяснение эффекта было дано на основе механизма междолинного перехода электронов в зоне проводимости (механизм Ридли - Уоткинса - Xилсума), предложенного еще до открытия эффекта. Рассмотрим этот механизм на примере полупроводника, имеющего два минимума (две долины) в зоне проводимости, в которых различается эффективная масса носителей заряда, их подвижность и плотность состояний. На рис. 1 схематически представлена структура зоны проводимости GaAs.

Рис.1. Энергетическая диаграмма зоны проводимости GaAs.

При комнатной температуре и слабом электрическом поле практически все электроны будут находиться в нижней долине. Плотность электрического тока, протекающего через образец

(1)

где - заряд электрона, - концентрация электронов в равновесном состоянии, - подвижность электронов, соответствующая нижней долине, - величина приложенного электрического поля.

(2)

есть средняя дрейфовая скорость электронов, пропорциональная приложенному полю.
При достаточно большом поле () кинетическая энергия электронов может возрасти больше, чем на , и они перейдут в верхнюю долину с большей эффективной массой, которой соответствует большая плотность состояний. При поле, большем , почти все электроны будут находиться в верхней долине. Соответственно, средняя дрейфовая скорость станет равной

(3)

Когда же поле таково, что часть электронов находится в верхней долине, а часть в нижней, плотность протекающего тока

(4)

где - общее число электронов проводимости, не зависящее от величины поля , а

(5)

То есть, при промежуточных значениях электрического поля скорость электронов при может уменьшаться с увеличением поля, если убывает быстрее, чем . Зависимость скорости электронов от поля для GaAs имеет вид, показанный на рис. 2.

Рис.2. Зависимость скорости электронов от электрического поля.

Падающему участку данной зависимости соответствует отрицательное дифференциальное сопротивление образца , которое, как показано, обусловлено механизмом междолинного перехода электронов в зоне проводимости. Наличие отрицательного дифференциального сопротивления согласно общей теории генераторов указывает на возможность генерации электрических колебаний.

Рассмотренный механизм Ридли-Уоткинса-Xилсума указывает также, что спонтанная осцилляция тока под действием приложенного сильного внешнего поля может быть получена в любом многодолинном полупроводнике, при условии, что долины имеют минимумы с разной энергией и соответствующие плотности состояний. Явление междолинного перехода электронов, как указывалось, становится возможным, когда к образцу приложено сильное электрическое поле, которое «разогревает» электроны, увеличивая их кинетическую энергию больше, чем на . Подвижность же носителей заряда для верхней долины значительно меньше (эффективная масса больше), чем для нижнего минимума (для GaAs, например, , ).

Следовательно, в том месте образца, где электроны перешли в верхнюю долину, сопротивление становится выше, так как

(6)

(Для нижней и верхней долины i = 1, i = 2 соответственно).

Центром образования области повышенного сопротивления может стать любая локальная неоднородность в полупроводнике, так как электрическое поле около нее будет несколько больше, чем в однородной части.

Образование области повышенного сопротивления начинается с того, что под действием электрического поля, значение которого около неоднородности выше, электроны, находящиеся вблизи этой неоднородности переходят в более высокоэнергетическое состояние с меньшим значением подвижности .

Поскольку поле в диоде Ганна из-за неоднородностей распределено неравномерно, то с большой вероятностью можно ожидать, что на неоднородности поле превысит значение раньше, чем в остальной части диода. Скорость электронов в области неоднородности будет уменьшаться с дальнейшим увеличением поля в соответствии с зависимостью v(E), изображенной на рис. 2. Первоначальная область сильного электрического поля станет расширяться за счет того, что к замедлившимся на этом участке электронам, догоняя их, «притекут» электроны из области образца, находящийся между катодом и этой областью, и таким образом образуется избыточный отрицательный заряд в прикатодной области. «Легкие» электроны, находящиеся ближе к аноду (перед областью избыточного отрицательного заряда), будут «убегать» к аноду, вследствие чего на переднем фронте образуется избыточный положительный заряд. Таким образом, объемный заряд области возрастает, возрастает и поле в ней. Образовавшийся дипольный слой называется доменом.

Если внешнее напряжение, приложенное к диоду Ганна, остается неизменным, то с ростом домена поле вне его будет уменьшаться (), уменьшается также и дрейфовая скорость электронов вне домена. Процесс увеличения объемного заряда, усиления электрического поля внутри домена продолжается до тех пор, пока скорости электронов внутри и вне домена не станут равными. Причем равенство установится при скорости, меньшей . После этого сформировавшийся домен сильного электрического поля дрейфует с постоянной скоростью к аноду и исчезает на нем. Затем образуется новый домен и процесс повторяется.

В стационарном режиме образуется всегда только один домен. Действительно, в области повышенного сопротивления поле будет больше, чем в однородной части. Поэтому поле вне домена всегда меньше критического .

Обычно формирование домена начинается вблизи контактов, так как именно в приконтактных областях сконцентрированы локальные неоднородности. Домен, который участвует в возникновении СВЧ колебаний, формируется преимущественно у катода. Если же центром образования области повышенного сопротивления стала неоднородность вблизи анода, то вырасти в домен за время дрейфа (где - расстояние от неоднородности до анода) эта область не успеет, и неоднородность электрического поля будет снесена на анод электронным потоком. Время формирования домена, возникающего у катода, ограничено большей величиной: . Поэтому при наличии контактных неоднородностей и у катода, и у анода центрами образования доменов станут участки повышенного поля именно вблизи катода.

При образовании домена плотность тока через образец уменьшается от
до , остается неизменной во время распространения домена по диоду Ганна, и при исчезновении домена на аноде плотность тока снова увеличивается до . Вслед за этим образуется новый домен и цикл повторяется. Таким образом, в цепи диода Ганна возникают периодические колебания тока.

Если время формирования и исчезновения домена значительно меньше времени его пролета вдоль образца (), то и период возникающих колебаний тока примерно равен времени пролета . Осцилляции тока имеют форму периодических импульсов (рис. 3). Уменьшение тока от максимального до некоторого минимального значения происходит по мере формирования домена. Минимальное значение тока остается постоянным, пока домен перемещается к аноду. Распад домена на аноде сопровождается увеличенном тока до , после чего снова образуется новый домен. Период колебаний тока
.

Если длина образца , , то частота колебаний .

Рис.3. Колебания тока в цепи с диодом Ганна