Эффект ганна в полупроводниках кратко

Обновлено: 04.07.2024

Эффект Ганна

Из рис. 3.2 следует, что в арсениде галлия зависимость дрейфовой скорости электронов v др от напряженности электрического поля характеризуется максимумом в области значений Е=(4-6)·10 5 В /м. Затем дрейфовая скорость заметно уменьшается и, при дальнейшем возрастании напряженности, она стремится к области насыщения, приближаясь к ней сверху, а не снизу, как в случае кремния. Такая зависимость дрейфовой скорости от напряженности электрического поля получила важное практическое применение.

В 1963 г . не­мец­кий физик Дж. Б. Ганн наблюдал высоко­час­то­т­ные ко­ле­ба­ния (ос­цилляции) электрического тока в однородных кри­стал­лах ар­се­нида галлия. Эти колебания на­б­лю­да­лись при дос­ти­же­нии не­ко­торого критического электрического по­ля Е=(1. 2) × 10 5 В /м, а са­мо явление получило название эф­фек­та Ган­на. Кроме кри­с­тал­лов GaAs , эффект Ганна наблюдался в по­лу­про­вод­ни­ко­вых со­е­ди­нениях InP , ZnSe , CdTe , InAs и ряде дру­гих полупровод­ни­ко­вых материалов, ха­ра­­­к­­те­ри­зу­ю­щихся сложной структурой энергети­ческих зон проводимости. В ре­зуль­та­те этого от­крытия менее чем за 10 лет возникло но­­вое направ­ле­ние в тех­ни­ке СВЧ, связанное с применением ге­не­­­ра­торов и уси­ли­телей Ган­на.

Появление эффекта осцилляций электрического тока обусловлено особенностями зоны проводимости GaAs . Рассмотрим природу возникновения высокочастотных ко­ле­ба­­ний электрического тока в арсениде галлия, структура энер­ге­ти­чес­ких зон которого изображена на рис. 1.21, б. Напомним, что в кри­с­тал­ло­графических направлениях 100 > в зоне прово­ди­мос­ти это­­­го полупроводникового соединения существует мини­мум ("вер­хняя долина"), сме­щен­ный относительно основного ми­ни­­­му­ма при k=0 вверх по оси энергий на ве­ли­чину 0,36 эВ . Эф­фек­­тив­ная масса носителей заряда в верхней долине равна 1,2mo и превышает эф­фе­ктивную массу электронов в основном ми­­ни­му­ме (0,072mo). Соответственно, снижается под­виж­­ность электронов, “находящихся” в верхней долине. Стру­­­ктура зон проводимости других соединений, в ко­то­­рых на­­б­лю­дается эффект Ганна, ана­ло­ги­ч­­на зон­ной структуре GaAs .

Одна из причин эффекта Ганна заключается в изменении эф­­­фек­­тивной подвижности носителей заряда при меж­долинном пе­­ре­бросе электронов, происходящем под действием сильного эле­к­три­ческого по­ля. В электрическом (по­роговом) поле Епор до­с­та­точ­но боль­шой напряженности, превышающей значение 3 × 10 5 В /м, часть электронов в GaAs приобретает добавочную энер­гию W> d W=0,36 эВ и переходит в верхнюю боковую до­ли­ну. Такой пе­­реход сопровождается уменьшением подвижности m n но­сителей за­­ряда. Соответственно снижается плотность тока j в по­­лу­про­вод­­нике, величина которой для электронного по­лу­про­вод­ника оп­ре­­деляется соотношением

где nn1 и m n1 - концентрация и подвижность электронов, на­хо­дя­щих­­­ся в нижней долине; nn2 и m n2 - концентрация и подвижность эле­к­­т­ронов, находящихся в верхней долине.

При этом общая кон­центрация электронов в полу­про­­вод­нико­вом кристалле no рав­на nn1+ nn2 и является постоянной величиной.

Поскольку плот­ность то­ка j~ m n , то, из-за снижения подвиж­но­­с­­ти электронов, на ВАХ образца по­яв­ля­ет­ся участок отри­ца­тель­­ной диф­фе­рен­­­­ци­альной про­во­димости (ОДП). Вольт­ам­пер­ная хара­кте­ри­сти­­­­ка приобретает N-об­разный вид, как это по­ка­за­но на рис. 3.9, а. При дальнейшем увеличении напря­жен­но­сти эле­ктри­чес­­­­­кого по­ля боль­шин­с­тво электронов окажется во вто­ром ми­ни­му­­­­­ме и nn2 no , а nn1 0. В результате диф­фе­ренциальная про­во­ди­­мость вновь ста­но­вит­­­ся по­ло­­жительной величиной.

Однако наличие N-образной ВАХ является лишь не­об­хо­ди­мым, но недостаточным условием для генерации элек­т­ро­­маг­ни­т­ных колебаний. Таким условием является необходимость соз­да­ния в образце об­ласти объемного заряда, которую называют элек­­­т­ри­чес­ким доменом.

С этой целью вблизи ка­тода путем спе­ци­­а­ль­­­ного ле­ги­ро­­­ва­ния фор­ми­ру­ет­ся область с пониженной кон­це­н­­т­ра­цией до­нор­­ной примеси. Локальная напряженность по­ля в этой ча­сти об­раз­ца оказыва­ет­ся выше средней по кристаллу и мо­­жет пре­­вы­шать по­ро­го­вую величину Епор . В резуль­тате в об­ла­сти не­од­­но­ро­д­ности об­­ра­зу­­ется зо­на "тя­же­лых" элек­тро­­нов, ко­то­­­рая под дей­с­т­ви­ем элек­три­чес­ко­го поля пере­ме­щается к ано­ду со ско­ро­­с­тью дрей­фа v др , как изображено на рис. 3. 9, б.

Справа и слева от этой зоны движутся "легкие" элек­троны, об­ла­­­­­­дающие большей дрейфовой скоростью. За счет ухо­да бы­с­т­рых эле­­­­к­тронов вблизи пакета медленно дви­­жу­щих­ся элек­­тронов со сто­­­­­роны анода образуется дефи­цит отрицатель­ного заряда, ус­лов­­­­но показанный на рис. 3.9, в знаком “+”. Нап­ря­же­н­­­­­ность электрического по­ля в домене уве­ли­чивается, а в ос­та­ль­­­ной части кристалла уменьша­ется (рис. 3.9, г).

Скорость дрейфа домена близка к скорости насыщения v нас и составляет около 10 5 м/с=100 км/с. Вбли­­зи анода электрический до­мен ис­че­зает, при этом ток в це­пи скач­­­­­ком во­з­растает. За­тем вблизи катода воз­ни­­кает но­вый домен и ток снова па­да­ет. Таким об­ра­зом, в образце генери­ру­­­ются ос­ци­л­ля­­­­ции тока.

График зависимости осцилляций то­ка I в ге­не­ра­то­ре Ган­­на от вре­­мени t пре­д­ставлен на рис. 3.10.

Период Т ко­ле­­баний тока в ге­­­не­ра­то­ре Ганна рас­счи­тывается по фо­р­муле T= =L/ v др , где L 0,2 мм - дли­­на образца. Отсю­да лег­ко рас­­с­чи­­та­ть час­­тоту га­н­но­вских ко­ле­ба­ний: f н=vдр / L=10 5 /0,2 ×1 0 -3 =5 × 10 8 Гц. Ве­рх­ний пре­дел частоты ган­новских ко­­ле­ба­ний сос­тав­ля­ет око­ло 10 10 Гц и ог­ра­ничен размером кристалла (при­­близительно 2 мкм).

Уравнения полных токов в полупроводнике

Явления дрейфа и диффузии могут наблюдаться в полупроводнике одновременно. Поэтому для полного тока электронов и дырок для одномерной модели полупроводника можно записать следующие соотношения.


Рис. 1. N-образная вольт-амперная характеристика: Е – напряжённость электрического поля, создаваемого приложенной разностью потенциалов; j – плотность тока.

ГА́ННА ЭФФЕ́КТ, ге­не­ра­ция вы­со­ко­ча­стот­ных ко­ле­ба­ний элек­трич. то­ка в по­лу­про­вод­ни­ке с $N$ -об­раз­ной вольт-ам­пер­ной ха­рак­те­ри­сти­кой (рис. 1). Об­на­ру­жен амер. фи­зи­ком Дж. Ган­ном в 1963 в кри­стал­ле GaAs с элек­трон­ной про­во­ди­мо­стью. Ге­не­ра­ция воз­ни­ка­ет, ес­ли по­сто­ян­ное на­пря­же­ние $U$ , при­ло­жен­ное к об­раз­цу дли­ной $l$, та­ко­во, что элек­трич. по­ле напряжённостью $E=U/l$ со­от­вет­ст­ву­ет па­даю­ще­му уча­ст­ку вольт-ам­пер­ной ха­рак­те­ри­сти­ки ( $E_1–E_2$ ), на ко­то­ром диф­фе­рен­ци­аль­ное со­про­тив­ле­ние от­ри­ца­тель­но (плот­ность то­ка $j$ па­да­ет с рос­том $E$ ). Ко­ле­ба­ния то­ка име­ют вид пе­рио­дич. по­сле­до­ва­тель­но­сти им­пуль­сов, их час­то­та об­рат­но про­пор­цио­наль­на $l$ .

Как известно диод – это двухвыводной полупроводниковый радиоэлектронный компонент, обладающий нелинейной вольт-амперной характеристикой (ВАХ). Это позволяет электрическому току течь только в одном направлении, при котором его сопротивление при прямом смещении очень мало (почти нулевое). И на оборот, в другом направлении нелинейная ВАХ не позволяет протекать току, так как она предполагает очень высокое сопротивление (бесконечно большое) при обратном смещении.

Диоды делятся на различные типы в зависимости от их характеристик и принципа работы. Они включают в себя обычный диод, диод Шоттки, диод Шокли, токоограничивающий диод, стабилитрон, светодиод, фотодиод, туннельный диод, варактор, лазерный диод, pin диод, элемент Пельтье, диод Ганна, и так далее.

В данной статье мы подробно рассмотрим принцип работы диода Ганна, характеристики и применение диода Ганна на практике.

Что такое диод Ганна?

Диод Ганна принято рассматривать как один из видов диода, не смотря на то, что он фактически не имеет типичного для диода pn-перехода. Его еще называют прибором с объемной неустойчивостью.

Диод Ганна имеет отрицательное дифференциальное сопротивление и поэтому его часто применяют в качестве генератора малой мощности для формирования микроволн. Он состоит из полупроводника N-типа, в котором электроны являются основным носителем заряда. Для генерации коротких радиоволн, таких как сверхвысокие частоты (СВЧ) используют эффект Ганна.

Структура Диода Ганна

Центральная область, показанная на рисунке ниже — это активная область, которая представлена низколегированным слоем арсенида галлия (GaAs). С обеих сторон активной области наращиваются эпитаксиальные слои высоколегированного GaAs (N-типа) с толщиной примерно от 8 до 10 микрометров.

Активная часть зажата между двумя зонами имеющие омические контакты. Это позволяет обеспечить эффективный теплоотвод, помогающий избежать перегрева и преждевременного выхода диода из строя.

Эффект Ганна

Эффект Ганна был открыт Джоном Ганном в 1960-х годах. После его экспериментов на основе GaAs (Арсенид галлия), он обратил внимание на помехи, возникшие в результате этих опытов. Далее он использовал это для генерации электрических колебаний в диапазоне сверхвысоких частот в устойчивом электрическом поле, величиной больше чем пороговое значение.

Этот эффект Ганна можно определить как генерация СВЧ (частоты порядка нескольких ГГц) возникающая всякий раз, когда напряжение, прикладываемое к полупроводниковому прибору превышает его критическое пороговое значение.

Характеристики Диода Ганна

На графике ниже показана вольт-амперная характеристика диода Ганна в его отрицательной области сопротивления. Эта характеристика похожа на характеристику туннельного диода. Как видно из графика изначально по мере увеличения напряжения на диоде происходит увеличение тока, но после достижения определенного уровня напряжения (порогового значения), ток начинает уменьшаться. Та область, где ток падает, называется область отрицательного сопротивления.

СВЧ генератор на диоде Ганна

Диод Ганна используются для построения генераторов микроволн с частотами в диапазоне от 10 ГГц до ТГц. Это устройство, имеющее отрицательное дифференциальное сопротивление (NDR -Negative Differential Resistance) – также называемого как прибор переноса электронов — является колебательным контуром, состоящий из диода Ганна и подаваемого на него постоянного напряжения смещения (в области отрицательного сопротивления).

Благодаря этому, суммарное дифференциальное сопротивление цепи становится равным нулю, так как отрицательное сопротивление диода сокращается при положительном сопротивлении цепи, что приводит к возникновению колебаний.

Диод Ганна — принцип работы

Этот диод сделан из цельного куска полупроводника N-типа, такого как Арсенид Галлия (GaAs) или Фосфид Индия (InP). Диод Ганна состоит из трех энергетических областей, и эта дополнительная третья область на начальном этапе пуста.

Электроны из зоны проводимости, имеющие ничтожно малое удельное электрическое сопротивление, перемещаются в третью область, поскольку они рассеиваются от приложенного к диоду напряжения. Третья область из GaAs имеет подвижность, которая меньше, чем в зоне проводимости.

Из-за увеличения прямого напряжения увеличивается напряженность поля (приложенное напряжение превышает пороговое значение напряжения), вследствие чего электроны достигают состояния, при котором их эффективная масса увеличивается, а скорость уменьшается, что приводит в конечном итоге к снижению тока.

Следовательно, если напряженность поля увеличивается, то скорость дрейфа будет уменьшаться, при этом создается отрицательное добавочное сопротивление в VI зоне. Таким образом, увеличение напряжения увеличит сопротивление, путем возникновения на катоде так называемого домена сильного поля, который движется и достигает анода.

При достижении анода, домен разрушается, и ток вновь возрастает. При поддержании постоянного значения напряжения, на катоде вновь будет возникать новый домен и все повторится вновь. Частота повторения этого процесса связана с толщиной слоя полупроводника (GaAs), и чем больше его толщина, тем меньше частота повторений.

Применение диода Ганна

Диод Ганна используется в следующих областях:

  • в генераторах Ганна для генерации частот в диапазоне от 5 ГГц до 35 ГГц на выходе. Генератор Ганн используются в радиосвязи, в военных и коммерческих радиолокационных установках.
  • в железнодорожной сфере в качестве датчиков для выявления нарушителей, в целях предотвращения крушения поездов.
  • в качестве эффективных генераторов СВЧ в диапазоне частот до сотен ГГц.
  • в детекторах дистанционного измерения вибраций и измерении скорости вращения в тахометрах.
  • в качестве СВЧ генератора тока (импульсный генератор на диоде Ганна).
  • в передатчиках СВЧ для генерации СВЧ-радиоволн при очень малых мощностях.

А так же в датчиках открывания дверей, устройствах управления процессами, охрана периметра, системы безопасности пешеходов, датчиках уровня, в датчиках измерения влажности и в охранных системах.

явление генерации высокочастотных колебаний электрического тока j в полупроводнике, у которого объемная Вольтамперная характеристика имеет N-образный вид (рис. 1). Эффект был обнаружен впервые американским физиком Дж. Ганном (J. Gunn) в 1963 в двух полупроводниках с электронной проводимостью: арсениде галлия (GaAs) и фосфиде индия (InP). Генерация происходит, когда постоянное напряжение V, приложенное к полупроводниковому образцу длиной l, таково, что электрическое поле Е в образце, равное Е = V/l, заключено в некоторых пределах Е1 ≤ E (E 2. E1 и E2 ограничивают падающий участок вольтамперной характеристики j (E), на котором дифференциальное сопротивление отрицательно. Колебания тока имеют вид серии импульсов (рис. 2). Частота их повторения обратно пропорциональна длине образца l.

Г. э. связан с тем, что в образце периодически возникает, перемещается по нему и исчезает область сильного электрического поля, которую называют электрическим доменом. Домен возникает потому, что однородное распределение электрического поля при отрицательном дифференциальном сопротивлении неустойчиво. Действительно, пусть в полупроводнике случайно возникло неоднородное распределение концентрации электронов в виде дипольного слоя — в одной области концентрация электронов увеличилась, а в другой — уменьшилась (рис. 3). Между этими заряженными областями возникает дополнительное поле ΔE (как между обкладками заряженного конденсатора). Если оно добавляется к внешнему полю Е и дифференциальное сопротивление образца положительно, т. е. ток растет с ростом поля E, то и ток внутри слоя больше, чем вне его (Δj > 0). Поэтому электроны из области с повышенной плотностью вытекают в большем количестве, чем втекают в неё, в результате чего возникшая неоднородность рассасывается. Если же дифференциальное сопротивление отрицательно (ток уменьшается с ростом поля), то плотность тока меньше там, где поле больше, т. е. внутри слоя. Первоначально возникшая неоднородность не рассасывается, а, напротив, нарастает. Растет и падение напряжения на дипольном слое, а вне его падает (т. к. полное напряжение на образце задано). В конце концов образуется электрический домен, распределение поля и плотности заряда в котором изображены на рис. 4. Поле вне установившегося домена меньше порогового E1, благодаря чему новые домены не возникают.

В GaAs с электронной проводимостью при комнатной температуре E1Ганна эффект3·10 3 в/см, скорость доменов v ≈ 10 7 см/сек. Обычно используют образцы длиной l = 50—300 мкм, так что частота генерируемых колебаний ν = 0,3—2 Ггц. Размер домена Ганна эффект 10—20 мкм. Г. э. наблюдался, помимо GaAs и InP, и в др. электронных полупроводниках: Ge, CdTe, ZnSe, InSb, а также в Ge с дырочной проводимостью. Г. э. пользуются для создания генераторов и усилителей диапазона сверхвысоких частот (см. Генерирование электрических колебаний).

Рис. 1. N-oбразная вольтамперная характеристика, Е — электрическое поле, создаваемое приложенной разностью потенциалов V, j — плотность тока.

Читайте также: