Что такое диод Ганна?

Что такое диод Ганна?

Определение диода Ганна

Диод Ганна — это пассивное полупроводниковое устройство с двумя выводами, состоящее только из n-легированного полупроводникового материала, в отличие от других диодов, которые содержат p-n переход. Диоды Ганна могут быть изготовлены из материалов, у которых в зоне проводимости есть несколько близко расположенных энергетических долин, изначально пустых, таких как арсенид галлия (GaAs), фосфид индия (InP), нитрид галлия (GaN), теллурид кадмия (CdTe), сульфид кадмия (CdS), арсенид индия (InAs), антимонид индия (InSb) и селенид цинка (ZnSe).

Общая технология производства включает выращивание эпитаксиального слоя на дегенерированном n+ подложке для формирования трех n-типов полупроводниковых слоев (Рисунок 1a), где крайние слои сильно легированы по сравнению со средним, активным слоем.

Далее металлические контакты предоставляются на обоих концах диода Ганна, чтобы облегчить смещение. Символ схемы для диода Ганна показан на рисунке 1b и отличается от обычного диода, чтобы указать на отсутствие p-n перехода.

Когда к диоду Ганна прикладывается постоянное напряжение, между его слоями, особенно в центральном активном регионе, возникает электрическое поле. Вначале проводимость увеличивается, так как электроны переходят из валентной зоны в нижнюю долину зоны проводимости.

Связанный график V-I показан кривой в области 1 (выделенной розовым цветом) на рисунке 2. Однако после достижения определенного порогового значения (Vth) проводимый ток через диод Ганна уменьшается, как показано кривой в области 2 (выделенной синим цветом) на рисунке.

Это происходит потому, что при более высоких напряжениях электроны в нижней долине зоны проводимости переходят в верхнюю долину, где их подвижность уменьшается из-за увеличения их эффективной массы. Уменьшение подвижности приводит к уменьшению проводимости, что ведет к уменьшению тока, протекающего через диод.

В результате диод демонстрирует область отрицательного сопротивления на кривой V-I, охватывающую точку Пика и точку Долины. Этот эффект известен как эффект переноса электронов, и диоды Ганна также называют устройствами с переносом электронов.

Кроме того, следует отметить, что эффект переноса электронов также называют эффектом Ганна, названным в честь Джона Баттискомба Ганна (J. B. Gunn) после его открытия в 1963 году, которое показало, что можно генерировать микроволны, применяя постоянное напряжение к чипу n-типа GaAs полупроводника. Однако важно отметить, что материал, используемый для изготовления диодов Ганна, должен обязательно быть n-типа, так как эффект переноса электронов применим только к электронам, а не к дыркам.

Поскольку GaAs является плохим проводником, диоды Ганна генерируют значительное количество тепла и требуют теплоотвода. На частотах микроволн импульс тока проходит через активную область, начинаясь при определенном напряжении. Движение этого импульса уменьшает потенциальный градиент, предотвращая образование новых импульсов.

Новый импульс тока может быть сгенерирован только тогда, когда предыдущий импульс достигнет дальнего конца активной области, снова увеличив потенциальный градиент. Время, необходимое для прохождения импульса тока через активную область, определяет скорость генерации импульсов и рабочую частоту диода Ганна. Для изменения частоты колебаний необходимо изменить толщину центральной активной области.

Кроме того, следует отметить, что свойство отрицательного сопротивления, проявляемое диодом Ганна, позволяет ему работать как усилителем, так и генератором, последний из которых известен как генератор на диоде Ганна или осциллятор Ганна.

Преимущества диода Ганна

• Заключаются в том, что они являются самым дешевым источником микроволн (по сравнению с другими вариантами, такими как килостроны)

• Они компактны по размеру

• Они работают в широкой полосе частот и обладают высокой стабильностью частоты.

Недостатки диода Ганна

• У них высокое напряжение включения

• Они менее эффективны ниже 10 ГГц

• У них плохая температурная стабильность.

Применения

• В электронных генераторах для генерации микроволновых частот.

• В параметрических усилителях в качестве источников питания.

• В полицейских радарах.

• В качестве датчиков в системах открывания дверей, системах обнаружения нарушителей, системах безопасности пешеходов и т.д.

• В качестве источника микроволновых частот в автоматических дверях, контроллерах светофоров и т.д.

• В микроволновых приемных цепях.