Диоды Ганна - Зарядовые неустойчивости в приборах с отрицательным дифференциальным сопротивлениемТвердотельная электроника. Учебное пособие.
8.4. Зарядовые неустойчивости в приборах с отрицательным дифференциальным сопротивлением
Рассмотрим однородно легированный электронный полупроводник с омическими контактами, к которому приложена разность потенциалов. Создаваемое в нем электрическое поле будет E = EП. Пусть вследствие тепловой флуктуации группа электронов сместилась в сторону катода относительно неподвижных ионизованных доноров.
Возникшая избыточная концентрация электронов должна изменяться во времени в соответствии с соотношением:
,Если бы в возникшем дипольном домене напряжённость электрического поля была меньше EП, то время релаксации Максвелла было бы равно:
.
Рис. 8.6. Распределение объемного заряда и напряженности поля в образце при формировании домена сильного поля
На самом деле в области возникшего объемного заряда напряженность поля увеличится и станет больше EП. Следовательно, в выражении для τM положительную удельную проводимость нужно заменить на удельную отрицательную дифференциальную проводимость σ- = en0μ-, где μ- – отрицательная дифференциальная подвижность, соответствующая участку вольт-амперной характеристики с отрицательной дифференциальной проводимостью. Таким образом,
.Этот факт объясняется следующими обстоятельствами. В области дипольного объемного заряда напряженность электрического поля возрастет и станет больше порогового значения, а в остальной части образца E слегка уменьшится и станет меньше EП, т.к. напряжение, подаваемое на образец, поддерживается постоянным. В результате этого дрейфовая скорость электронов и плотность тока в области существования объемного заряда уменьшатся, а в остальной части образца изменятся незначительно. Это приведет к дальнейшему увеличению концентрации электронов в левой части объемного заряда (за счет их подтока от катода) и концентрации нескомпенсированных доноров в правой части за счет ухода быстрых электронов от правой границы к аноду. Этот процесс прекратится, и дипольный слой достигнет стабильной конфигурации, когда плотность тока внутри и вне его станет одинаковой и будет соответствовать точкам вольт-амперной характеристики, лежащим вне участка отрицательной дифференциальной проводимости (например, точки EВ и EД) (рис. 8.7).
Рис. 8.7. ВАХ диода Ганна [5, 32]
Спад силы тока в цепи при формировании домена сильного поля обусловлен резким уменьшением подвижности электронов в нем и, следовательно, увеличением сопротивления образца. Наиболее стабильное состояние домена соответствует минимальной мощности, потребляемой образцом от источника питания, т.е. когда плотность тока в образце имеет наименьшее возможное значение – Jmin. Тогда максимальная напряженность поля внутри домена сильного поля будет равняться EД, а вне его – EВ. Ширину или толщину домена (dД.М.) можно оценить, исходя из того, что падение напряжения на образце до и после образования домена одно и то же, т.е.
,
.Распределение напряженности электрического поля в домене зависит от концентрации электронов в данном образце. При больших n0 максимум E располагается в центре домена и зависимость E от x имеет симметричный вид. Если n0 мало, то кривая E=f(x) принимает форму, близкую к прямоугольному треугольнику.
В процессе формирования и после его окончания дипольный домен дрейфует от катода к аноду. Если предположить, что домен возникает у катода за счет неоднородности в распределении примеси, то за время пролета
,
– средняя скорость дрейфа домена, домен достигнет анода и исчезнет.
После этого в образце восстановится однородное распределение поля и
первоначальное (до формирования домена) значение тока. Затем за счет тепловой
флуктуации у катода начнет формироваться следующий домен и т.д. Периодически
повторяющиеся процессы формирования домена у катода и рассасывания его у анода
приведут к соответствующему изменению сопротивления образца и силы тока.
Для того, чтобы первоначальная тепловая флуктуация концентрации электронов заметно возросла, необходим интервал времени, превосходящий τM. Следовательно, периодическое изменение силы тока через образец будет возникать лишь в том случае, когда tпр > τM или
. Для арсенида галлия и фосфида индия
см-2.
Режим работы диода Ганна на эффекте междолинного перехода
электронов, при котором выполняется неравенство
).
В пролетном режиме на кривой зависимости тока от времени будут наблюдаться
резкие всплески, если длина образца значительно превышает ширину домена. Для
получения формы колебаний тока, близкой к синусоидальной, необходимо уменьшать
длину образца или увеличивать ширину домена (рис. 8.8). Ширину домена можно увеличить,
уменьшая концентрацию электронов (n0) в образце.
Рис. 8.8. Зависимость тока от времени при работе диода Ганна в пролетном режиме
При работе диода в резонаторе к нему кроме постоянного
внешнего смещения оказывается приложенным также СВЧ-поле, возникающее в
резонаторе за счет колебаний тока, протекающего через диод. Предположим, что
СВЧ-поле меняется во времени по гармоническому закону, а резонатор настроен
на частоту выше пролетной
().
Тогда при достаточно большой амплитуде СВЧ-поля дипольный домен в образце
может рассосаться, не доходя до анода. Для этого необходимо, чтобы в
полупериод, когда векторы напряженности постоянного и СВЧ-поля противоположны,
суммарная напряженность поля была бы меньше EП, а
длительность полупериода была бы больше τM,
соответствующего положительной
подвижности. С точностью до численного коэффициента последнее условие можно
записать так:
,
или
.
Для GaAs и InP
с/см3.
Полученное неравенство является условием реализации режима работы диода с
подавлением домена. В этом режиме в каждый "положительный" полупериод
СВЧ-поля в диоде E>EП и у катода зарождается домен, а в
каждый "отрицательный" полупериод он рассасывается на пути к аноду. Таким
образом, генерация переменного тока в этом случае происходит на частоте,
определяемой параметрами резонансной цепи.
Если обеспечить одновременное выполнение двух неравенств
,
с/см3.
Поскольку в полученном неравенстве период СВЧ-сигнала меньше τM,
соответствующего отрицательной дифференциальной подвижности, то в полупериод,
когда E > EП, домен сильного поля не успевает полностью
сформироваться, а в следующий полупериод E < EП)
он полностью
рассасывается. При этом будет наблюдаться возрастание сопротивления образца в
один полупериод СВЧ-сигнала и спад его в другой, что вызывает эффективную
генерацию мощности на частоте, определяемой параметрами внешней цепи.
Рис. 8.9. Пояснение принципа действия генератора с ограничением накопления объемного заряда
Copyright © 2003-2008 Авторы
