Диоды Ганна

Диод Ганна – это полупроводниковый диод, действие которого основано на появлении отрицательного объемного сопротивления под действием сильного электрического поля и предназначенный для генерирования и усиления СВЧ-колебаний.

Эффект Ганна наблюдается только в кристаллах полупроводников, имеющих в зоне проводимости побочный минимум (долину), расположенный выше основного, в котором эффективная масса электронов в несколько раз больше, чем в основном. К таким материалам относятся GaAs, InSb, InAs, ZnSe, InP и CdTe. В арсениде галлия СВЧ колебания возникают при напряженности электрического поля 1000 В/см.

Генераторы на диодах Ганна имеют значительно меньше шумов, чем генераторы на ЛПД. Диоды Ганна допускают перестройку частоты.

Эффект Ганна наблюдается в основном у двухдолинных полупроводников, зона проводимости которых состоит из одной нижней долины и нескольких верхних долин. На рис. 1.21 показана зонная структура арсенида галлия n-типа.

Рис. 1.21

При слабом электрическом поле электроны находятся в нижней долине, где они имеют малую эффективную массу и высокую подвижность. Поэтому полупроводник имеет сравнительно высокую проводимость. С ростом напряжения ток пропорционален напряжению. Когда напряженность электрического поля становится достаточно высокой, большая часть электронов переходит в верхнюю долину, где они обладают большей эффективной массой и меньшей подвижностью. Вследствие этого сопротивление в этой зоне полупроводника возрастает. Из-за неоднородности материала сопротивление возрастает под действием сильного электрического поля не во всем полупроводнике, а лишь в определенной области. Область такого повышенного сопротивления и более сильного электрического поля называют доменом. Обычно домен образуется у катода и движется с большой скоростью к аноду. Вследствие разности скоростей электронов в полупроводнике и в домене в нем образуется сгусток электронов. Дойдя до анода, домен исчезает, но возникает новый домен у катода, который начинает двигаться к аноду и т.д. Пропадание доменов и возникновение новых сопровождается периодическим изменением сопротивления диода Ганна с появлением СВЧ-колебаний.

Генераторы Ганна из арсенида Галлия работают в диапазоне 1-50 ГГц. КПД составляет от 1 до 30%. Мощность СВЧ-колебаний в непрерывном режиме десятки ватт, в импульсном режиме единицы киловатт. Возможность перестройки частоты путем изменения прикладываемого напряжения не превышает нескольких десятых долей процента.

Дата добавления: 2014-01-07