Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
ФГАОУ ВО «Севастопольский государственный университет»
Институт радиоэлектроники и информационной безопасности
Кафедра «Радиоэлектронные системы и технологии»
Доклад
«Полупроводниковые приборы с объемной неустойчивостью их
структура, принцип действия и область применения.»
по дисциплине
«Электронные и квантовые приборы сверхвысокой частоты»
Выполнил студент Смаилов С. Ф.
Группа РС/с-18-1-о
Отметка о защите ____________
Преподаватель: к. т. н., доцент
Лукьянчиков А. В.
Севастополь
2022
К полупроводниковым приборам с объемной неустойчивостью относится
диод Ганна.
Диод Ганна — полупроводниковый прибор с отрицательным
дифференциальным сопротивлением, возникающим в объеме однородного
полупроводника при приложении к нему сильного электрического тока. В
работе диода Ганна основную роль играют процессы, происходящие в объеме
полупроводника, а не в самом р–n переходе. Важно заметить, что
выпрямляющими свойствами диоды Ганна не обладают.
Имя собственное эти радиокомпоненты получили по фамилии
первооткрывателя квантового эффекта, лежащего в основе функциональности
этих генераторов СВЧ. Британский физик Джон Ганн в начале 60-х годов XX
века обнаружил, что кристалл арсенида галлия начинает испускать
электромагнитные волны частотой более 10 ГГц при воздействии на него
электрического поля с напряжённостью, превышающей некое пороговое
значение. Этот процесс вошёл в научную терминологию под названием
эффекта Ганна.
Эксперимент 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 ⃗⃗⃗⃗
ЕА
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.
Слева они будут нагонять домен и образовывать область повышенной
концентрации электронов (область отрицательного заряда), а справа лёгкие
электроны будут уходить вперёд, образуя область, обеднённую электронами
(область положительного заряда). При неизменном напряжении установится
динамическое равновесие между скоростями электронов внутри и вне домена.
При достижении доменом конца образца (анода), домен разрушается, ток
возрастает, происходит образование нового домена, и процесс повторяется
заново.
Так как домен образован носителями тока — «свободными» электронами
проводимости, то он движется в направлении их дрейфа со скоростью v,
близкой к дрейфовой скорости носителей вне домена. Обычно домен
возникает не внутри образца, а у катода. Дойдя до анода, домен исчезает. По
мере его исчезновения падение напряжения на домене уменьшается, а на всей
остальной части образца соответственно растет. Одновременно возрастает ток
в образце, т. к. увеличивается поле вне домена; по мере приближения этого
поля к пороговому полю E1 плотность тока приближается к максимальной
jmaкc (рис. 1). Когда поле вне домена превышает E1, у катода начинает
формироваться новый домен, ток падает и процесс повторяется. Частота n
колебаний тока равна обратной величине времени прохождения домена через
образец: n = v/l. В этом проявляется существенное отличие эффекта Ганна от
генерации колебаний в др. приборах с N-образной вольтамперной
характеристикой, например, в цепи с туннельным диодом, где генерация не
связана с образованием и движением доменов и частота колебаний
определяется ёмкостью и индуктивностью цепи.
Несмотря на то, что в кристалле может быть несколько неоднородностей,
всегда существует только один домен. Так как после исчезновения
электрического домена новый домен может возникнуть на другой
неоднородности, для наблюдения и использования эффекта Ганна нужны
очень чистые и однородные образцы.
В GaAs с электронной проводимостью при комнатной температуре
E1~3·103 в/см, скорость доменов v примерно 107 см/сек. Обычно используют
образцы длиной l = 50—300 мкм, так что частота генерируемых колебаний n =
0,3—2 Ггц. Размер домена ~ 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).