dsd13-gos / dsd-13=СВЧ / Конспект / 11
.doc
5.6. Диод Ганна
В 1963 г. Ганном открыт эффект генерации СВЧ колебаний в однородных образцах GaAs в сильном (> 3 кВ/см) постоянном электрическом поле.
Частота колебаний соответствует времени пролета электронов через образец со скоростью 107 см/с:
(при мкм
1 ГГц. Причина эффекта — особенности зонной структуры GaAs.
кВ/см; см/с;
см/с.
В нижней долине — легкие электороны, в верхней — тяжелые. Разогрев полем переносит электроны в верхнюю долину, и средняя скорость снижается.
Электроны с достаточной энергией переходят в в верхнюю долину практически все: а) побочных минимума 4; б) плотность состояний ~ эффективной массе в степени 3/2; в верхней долине она выше.
Существует 2 основных режима колебаний:
а) пролетная (ганновская) мода; б) режим ограничения пространственного заряда (ОНОЗ).
Пролетная мода
Пролетная моде реализуется в случае, когда образец не находится в резонаторе. Отрицательная дифференциальная подвижность приводит к нарушению однородности электрического поля и образованию домена сильного поля (ДСП).
ДСП зарождается на естественной неоднородности образца на границе с катодом и движется к аноду. После его рассасывания на аноде возникает новый ДСП и процесс повторяется периодически.
Механизм зарождения ДСП:
На участке повышенного поля скорость электронов меньше.
Поэтому «убегают к аноду» справа от флуктуации поля и «поджимают» флуктуацию слева.
В результате формируется ДСП с обедненной передней стенкой и обогащенной задней.
В стационарном ДСП на передней стенке:
;
;
;
.
Вне ДСП: . Отсюда скорость домена:
.
Форма тока:
;
;
.
Максимальная частота генерации определяется необходимым условием доменной неустойчивости:
см-2; .
Повышение приводит к снижению подвижности в слабом поле и уменьшению отношения (т.е. К.П.Д.). Практически 1016 см-3.
При этом = 100 ГГц.
Режим ОНОЗ
Если диод Ганна помещен в резонатор с резонансной частотой , ДПС гасится резонатором, и диод генерирует на резонансной частоте.
Частотные ограничения:
.
Успевает разрушиться Не успевает
обогащенный слой сформироваться ДСП
Здесь 7000 см2/Вс — подвижность в слабом поле;
2000 см2/Вс — отрицательная дифференциальная подвижность.
В режиме ОНОЗ достигается максимальная частота генерации.
Диоды Ганна конкурируют с ЛПД как генераторы СВЧ.
Частоты — до 150 ГГц; мощность — до 10 кВт в импульсном режиме.
К.П.Д. ~ 10 %/