Що таке діод Ганна?

Що таке діод Ганна?

Визначення діода Ганна

Діод Ганна — це пасивний напівпровідниковий прилад з двома контактами, який складається лише з n-легованого напівпровідникового матеріалу, на відміну від інших діодів, які мають p-n переход. Діоди Ганна можуть бути виготовлені з матеріалів, які мають кілька початково порожніх, тісно розташованих енергетичних долин у своїй зоні провідності, таких як галій арсенід (GaAs), індій фосфід (InP), галій азотид (GaN), кадмій телурід (CdTe), кадмій сульфід (CdS), індій арсенід (InAs), індій антимонід (InSb) та цинк селенід (ZnSe).

Загальний процес виробництва включає рост епітаксіального шару на виродженому n+ субстраті для формування трьох n-типів напівпровідникових шарів (Рисунок 1a), де крайні шари є сильно леговані по відношенню до середнього, активного шару.

Далі металеві контакти надаються на обох кінцях діода Ганна для забезпечення зміщення. Електричний символ діода Ганна показаний на Рисунку 1b і відрізняється від звичайного діода, щоб вказати на відсутність p-n переходу.

Коли до діода Ганна застосовується постійне напруга, у його шарах, особливо в центральній активній області, розвивається електричне поле. Спочатку провідність збільшується, коли електрони переміщуються з валентної зони в нижню долину зони провідності.

Пов'язаний V-I графік показаний кривою в Області 1 (колір розовий) на Рисунку 2. Однак, після досягнення певного порогового значення (Vth), струм через діод Ганна зменшується, як показано кривою в Області 2 (колір синій) на рисунку.

Це тому, що при вищих напругах електрони в нижній долині зони провідності переходитять у верхню долину, де їхня подвижність зменшується через збільшення їх ефективної маси. Зменшення подвижності зменшує провідність, що призводить до зниження струму, що проходить через діод.

В результаті діод демонструє область негативного опору на V-I характеристичній кривій, що простягається від точки Піку до точки Долини. Цей ефект відомий як ефект передачі електронів, і діоди Ганна також називаються Приладами Передачі Електронів.

Також слід зазначити, що ефект передачі електронів також називається ефектом Ганна і названий на честь Джона Батіскомба Ганна (J. B. Gunn) після його відкриття в 1963 році, яке показало, що можна генерувати мікрохвильове випромінювання, застосовуючи постійну напругу до чипу n-типового GaAs напівпровідника. Проте важливо зазначити, що матеріал, використаний для виготовлення діодів Ганна, повинен обов'язково бути n-типу, оскільки ефект передачі електронів справджується лише для електронів, а не для дір.

Оскільки GaAs є поганим провідником, діоди Ганна генерують надмірне тепло і потребують теплового радіатора. На мікрохвильових частотах струмова імпульсна хвиля рухається через активну область, ініційована при певному напругі. Це рух імпульсу зменшує потенційний градієнт, запобігаючи утворенню нових імпульсів.

Новий струмовий імпульс може бути згенерований лише тоді, коли попередній імпульс досягає далекого кінця активної області, знову збільшуючи потенційний градієнт. Час, який потрібен для того, щоб струмова хвиля пройшла через активну область, визначає швидкість генерації імпульсів та робочу частоту діода Ганна. Для зміни частоти коливань необхідно регулювати товщину центральної активної області.

Слід зазначити, що природа негативного опору, яку демонструє діод Ганна, дозволяє йому працювати як як підсилювач, так і як генератор, останній з яких відомий як генератор на діоді Ганна або осцилятор Ганна.

Переваги діода Ганна

• Лежать у тому, що вони є найдешевшим джерелом мікрохвильового випромінювання (порівняно з іншими варіантами, такими як клістронні лампи)

• Вони компактні за розмірами

• Вони працюють в широкому діапазоні частот і мають високу стабільність частоти.

Недоліки діода Ганна

• Вони мають високе напругу включення

• Вони менш ефективні нижче 10 ГГц

• Вони мають погану температурну стабільність.

Застосування

• У електронних генераторах для генерації мікрохвильових частот.

• У параметричних підсилювачах як джерела насосу.

• У поліцейських радарах.

• Як датчики в системах відкриття дверей, системах виявлення незаконного вторгнення, системах безпеки пішоходів тощо.

• Як джерело мікрохвильового випромінювання в автоматичних системах відкриття дверей, контролерах світлофорів тощо.

• У мікрохвильових приймальних контурах.