Минин Р., Кавченков А. Диоды Ганна

Презентацию подготовили:
Минин Руслан и Кавченков Александр
Физико-технического факультета 21414 группы
Преподаватель:
Гуртов Валерий Алексеевич
Эффект Ганна - явление возникновения осцилляций тока (~
109—1010 Гц) в однородном многодолинном полупроводнике при
приложении к нему сильного электрического поля. Впервые этот
эффект наблюдался Джоном Ганном в 1963 г. на арсениде галлия,
затем явление осцилляций тока было обнаружено в фосфиде
индия, фосфиде галлия и ряде других полупроводниковых соединений.
Физика явления
Зонная структура GaAs в направлении 100.
Опыт Ганна
Рассмотрим образец длиной L, к которому приложено внешнее
напряжение. В однородном полупроводнике электрическое поле
примерно одинаково по всей длине образца. Но если в образце имеется
локальная неоднородность с повышенным сопротивлением, то
напряжённость поля в этом месте образца будет выше, следовательно
при увеличении напряжённости внешнего поля критическое
значение возникнет в первую очередь в этом сечении. Это означает
накопление в этой области (а не во всем кристалле) тяжёлых
электронов и снижение их подвижности, а значит и повышение
сопротивления в этой области. Образовавшаяся зона с высоким
содержанием тяжёлых электронов называется электрическим доменом.
Под действием приложенного поля домен начинает перемещаться
вдоль образца со скоростью V ~ 106 м/с. Слева и справа от
электронного домена будут двигаться лёгкие электроны с более
высокой скоростью, чем тяжёлые.
Диод Ганна (изобретён Джоном Ганном в 1963 году) - тип п/п диодов,
использующийся для генерации и преобразования колебаний в диапазоне СВЧ
на частотах от 0,1 до 100 ГГц.
При создании низкоомных омических контактов, необходимых для
работы диодов Ганна, существуют два подхода:
1) Первый из них заключается в поисках приемлемой технологии
нанесения таких контактов непосредственно на высокоомный арсенид галлия.
2) Второй подход заключается в изготовлении многослойной
конструкции генератора. В диодах такой структуры на слой сравнительно
высокоомного арсенида галлия, служащего рабочей частью генератора,
наращивают с двух сторон эпитаксиальные слои относительно низкоомного
арсенида галлия с электропроводностью n-типа. Эти высоколегированные слои
служат переходными прослойками от рабочей части прибора к металлическим
электродам.
Диод Ганна традиционно состоит из слоя арсенида
галлия с омическими контактами с обеих сторон. Активная
часть диода Ганна обычно имеет длину порядка l = 1-100 мкм и
концентрацию легирующих донорных примесей n = 1014 −
1016 см−3. 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.
На ВАХ полупроводникового прибора
наличие падающего участка является не
достаточным условием для
возникновения в нём СВЧ колебаний,
но необходимым. Наличие колебаний
означает, что в пространстве кристалла
полупроводника возникает
неустойчивость волновых возмущений.
Диод Ганна может быть использован
для создания генератора в 10 ГГц и
выше (ТГц) диапазона частот. А
резонатор, который может принимать
форму волновода, добавляют для
контроля частоты.
Диоды Ганна, работающие в различных режимах,
используются в диапазоне частот 1-100 ГГц. В
непрерывном режиме реальные генераторы на диодах
Ганна имеют КПД порядка 2-4% и могут обеспечить
выходную мощность от единиц мВт до единиц Вт. Но при
переходе в импульсный режим КПД увеличивается в 2-3
раза.
Генератор на диоде Ганна может совершать работу, в
зависимости от питающего напряжения, температуры, свойства
нагрузки: доменный режим, гибридный режим, режим ограниченного
накопления объемного заряда и режим отрицательной проводимости.
Доменный режим может иметь три различных вида: пролетный, с
задержкой образования доменов и с гашением доменов, которые
получаются при изменении сопротивления нагрузки. Для диодов Ганна
был так же придуман и осуществлен режим ограничения и накопления
объемного заряда. Его существование имеет место, при больших
амплитудах напряжения на частотах, в несколько раз больше
пролетной частоты и при постоянных напряжениях на диоде, которые
в несколько раз превышают пороговое значение. Наряду с арсенидом
галлия и фосфидом индия InP (до 170 ГГц) методом эпитаксиального
наращивания, для изготовления диодов Ганна также используется и
нитрид галлия (GaN) на котором и была достигнута наиболее высокая
частота колебаний в диодах Ганна — 3 ТГц.
Требования к зонной структуре полупроводников
Эффект Ганна наблюдается главным образом в
двухдолинных полупроводниках, зона проводимости которых
состоит из одной нижней долины и нескольких верхних долин.
Для того, чтобы при переходе электронов между долинами,
возникало отрицательное дифференциальное сопротивление,
должны выполняться следующие требования:
Средняя тепловая энергия электронов должна быть
значительно меньше энергетического зазора между побочной и
нижней долинами зоны проводимости.
Эффективные массы и подвижности электронов в нижней
и верхних долинах должны быть различны.
Энергетический зазор между долинами должен быть
меньше, чем ширина запрещенной зоны полупроводника, чтобы
лавинный пробой не наступал до перехода электронов в верхние
долины.
Схематическая диаграмма, показывающая энергию
электрона в зависимости от волнового числа в области минимумов
зоны проводимости арсенида галлия n-типа. Плотность тока,
протекающего через образец, определяется концентрацией
электронов в нижней долине n1 (n1 = n0, где n0 - равновесная
концентрация электронов в полупроводнике):
С ростом электрического поля возрастает скорость дрейфа
электронов. На длине свободного пробега l электроны приобретают
энергию eEl, отдавая при столкновениях с фононами
кристаллической решётки меньшую энергию.
Дальнейшее увеличение поля приводит к росту концентрации
электронов в верхней долине. Переход из нижней долины в верхнюю
сопровождается значительным ростом эффективной массы и уменьшением
подвижности, что ведёт к уменьшению скорости дрейфа. При этом на
вольт-амперной характеристике образца появляется участок с
отрицательным дифференциальным сопротивлением (ОДС)
(Рис) N-образная вольт-амперная характеристика: E - электрическое поле,
создаваемое приложенной разностью потенциалов; J - плотность тока
Для
возникновения
отрицательного
дифференциального
сопротивления необходим одновременный переход большинства
электронов из центральной долины в боковую при пороговой
напряженности электрического поля.
(Рис) Распределение электронов при различных значениях
напряженности поля
Статическая ВАХ арсенида галлия
Получим зависимость скорости дрейфа электронов от поля VД(E) для
случая
отрицательного
дифференциального
сопротивления.
Продифференцировав уравнение J = e(n1μ1 + n2μ2) E = enoVд(E) по
напряжённости электрического поля, получим:
Тогда условие существования отрицательной дифференциальной
проводимости можно записать в виде:
Предположим, что распределение электронов между долинами
выражается следующим образом:
Обозначим также отношение подвижностей в нижнем и верхнем
минимумах как константу:
Для концентрации n1 и n2 можно записать: где n0 = n1 + n2.
Средняя скорость при данной напряжённости поля равна:
(Рис) Зависимость скорости дрейфа от
напряженности поля для GaAs
Электронные температуры (Te) в обеих долинах будем считать
одинаковыми. Тогда, пользуясь статистикой Максвелла-Больцмана,
запишем:
m1*, m2* – эффективные массы в долинах,
n1, n2 – концентрации электронов в долинах,
M2 – число верхних долин,
M1 – число нижних долин.
(GaAs: M1=1, M2=4, m1*=0,067m0, m2*=0,067m0)
Теперь имеем: учитывая (μ1 >> μ2)
Получим выражение для электронной температуры. (τe – время
релаксации энергии (~10-12 с).)
Зависимость дрейфовой скорости электронов в GaAs от E при T,
K : 1 - 200, 2 - 300, 3 - 350. Кривая 4 - заселенность верхней долины
при 300 К
Литература
1.https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D1%84%D1%84%D0%B5%
D0%BA%D1%82_%D0%93%D0%B0%D0%BD%D0%BD%D0%B0
2.https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%B8%D0%BE%D0%B4_
%D0%93%D0%B0%D0%BD%D0%BD%D0%B0
3. http://dssp.petrsu.ru/book/chapter8/part2.shtml
4. http://dssp.petrsu.ru/book/chapter8/part3.shtml